関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニット
【課題】ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供する。
【解決手段】関節部材Ｊに、リンク部材Ｌ１に組み付けられたモータＭの出力が伝動機構Ｔを介して伝達され所定軸心Ｐ周りに回転するウェーブジェネレータ３１と、ウェーブジェネレータ３１の外周部と接合する内周部を備えたフレクスプライン３２と、フレクスプライン３２の外周部に形成された歯部３７と噛合する歯部３８が内周部に形成されたサーキュラスプライン３４とからなるハーモニックドライブＨを備え、フレクスプライン３２がトルク制限機構Ｒを介して一方のリンク部材Ｌ１に固定されるとともに、サーキュラスプライン３４が他方のリンク部材Ｌ２に固定される。
【解決手段】関節部材Ｊに、リンク部材Ｌ１に組み付けられたモータＭの出力が伝動機構Ｔを介して伝達され所定軸心Ｐ周りに回転するウェーブジェネレータ３１と、ウェーブジェネレータ３１の外周部と接合する内周部を備えたフレクスプライン３２と、フレクスプライン３２の外周部に形成された歯部３７と噛合する歯部３８が内周部に形成されたサーキュラスプライン３４とからなるハーモニックドライブＨを備え、フレクスプライン３２がトルク制限機構Ｒを介して一方のリンク部材Ｌ１に固定されるとともに、サーキュラスプライン３４が他方のリンク部材Ｌ２に固定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置、関節装置を用いたロボットアーム、及び、フィンガーユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置（以下、「ハンド」とも記す。）にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。
【０００３】
このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。
【０００４】
そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。
【０００５】
一方、人は複数の関節を持つ５本の指からなる手で複雑な作業を器用に実行することができる。人の手のような構造ならびに形状を持ち、人の手と同様の運動制御機能を有したユニバーサルなロボットハンドを実現することができるならば、ロボットは、人間と同様、一つのハンド機構で様々な複雑作業を器用に行うことが可能になる。また、ロボットに合わせてその都度開発していた特殊作業工具は必要でなくなり、ロボットは、従来、人が使用してきた汎用作業工具を用いて作業を行うことも可能となる。
【０００６】
このような背景の下、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。
【０００７】
このようなロボットハンドとして、特許文献１には、図１１に示すように、人間の手と類似した運動ができるロボットハンド構造、即ち、四関節Ｊ１００，Ｊ２００，Ｊ３００，Ｊ４００備えた指を複数本配置し、各関節を駆動するモータを内蔵したロボットハンドにおいて、各指の根本側の第一関節Ｊ１００と第二関節Ｊ２００の軸が１点で直交し、その二つの関節を独立に駆動できるように１つの指について二つのモータを掌に設けたことを特徴とするロボットハンドが提案されている。
【０００８】
上述の文献には、第三関節Ｊ３００用のモータＭ３００と駆動連結された４節リンク機構Ｌを介して第四関節Ｊ４００の軸を駆動することで、一つのモータにより第三関節Ｊ３００と第四関節Ｊ４００を同時に同じ方向に回転可能な構成、及び、指先に力覚センサＳ１００を備えた構成が提案されている。
【０００９】
しかし、関節で連結されるリンクＬ３００、Ｌ４００に対して、モータＭ３００からギア式の減速機構を介してリンクＬ３００を駆動するとともに減速機構からさらにリンクやワイヤー等の駆動伝動機構、ここでは４節リンク機構Ｌを介してリンクＬ４００を駆動するごとき構成を採用する場合には、減速機構によるギアのバックラッシュや駆動伝動機構による機械的遊びによるガタの発生のために正確な指の動作制御が困難となるばかりか、モータから減速機構を経て駆動伝動機構に動力を伝達するために駆動伝達機構は多大のトルクを伝達することが必要となり駆動伝達機構の大型化、延いてはロボットハンドの大型化を招くという問題があった。
【００１０】
そこで、本願発明者らは、特許文献２に示すように、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたコンパクト設計が可能なロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することを目的とした関節装置を提案している。
【００１１】
具体的には、図１２に示すように、一方のリンク部材Ｌ１０１に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材Ｌ２０２に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ減速機Ｈ１０１を関節部材に組み込み、基端側リンク部材Ｌ１０１に収容したモータ（アクチュエータ）Ｍ１０１の出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構Ｔ１０１と、モータＭ１０１の出力を第一の伝動機構Ｔ１０１及び基端側リンク部材Ｌ１０１に隣接するリンク部材Ｌ２０２に収容した伝達シャフトＳ１０１を介して基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機Ｈ２０２のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構Ｔ２０２を備えた関節装置である。
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５２５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、関節装置の駆動機構として、アクチュエータからの動力を減速機を介して関節軸へ伝達してリンクを駆動する方式を採用すると、減速機によって増力することができるため、小さな出力のアクチュエータでも関節リンクを駆動するために必要な大きな動力が得られるという利点を持つ。
【００１３】
アクチュエータとして、取扱いの容易さからＤＣモータなどの電気モータが多く使用されているが、電気モータは一般に高速回転・低トルクであるためロボットの関節機構では高減速比の減速機を介して使用することが必要となる。
【００１４】
こうしたアクチュエータ及び減速機から構成される関節駆動機構はバックドライバビリティ（関節軸からアクチュエータ出力軸を動かすこと）に劣るため、環境から駆動リンクへ外部トルクが作用すると、そのほとんどが減速機の構造へ作用することとなる。
【００１５】
そのため、ロボットアームやロボットフィンガー等に用いられる関節装置に使用される減速機は、外部トルクに対して十分な構造強度を有することが必要となる。
【００１６】
しかも、ロボットの関節装置はその運動の高速化ならびに機構の軽量化の必要から、より小型軽量で高減速比の減速機を限られたスペースにコンパクトに配置するように設計することが要求される。
【００１７】
しかし、小型軽量で高減速比の減速機を得ようとすると、その歯型形状を小さくしなければならず、出力軸に作用する外部トルクに対して十分な構造強度を得ることは困難となる。
【００１８】
従って、ロボットアーム等の運転に際しては、環境から関節リンク機構へ作用する力が減速機出力軸の許容外部トルクの範囲内に収まるように、限定して使用することが要求されるという問題があった。
【００１９】
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている点にある。
【００２１】
上述の特徴構成によれば、モータの出力が伝動機構を介してハーモニックドライブ減速機構を構成するウェーブジェネレータに伝達されると、フレクスプラインを介してサーキュラスプラインに伝達されるので、サーキュラスプラインと固定された他方のリンク部材は、フレクスプラインと固定された一方のリンク部材に対してウェーブジェネレータの回転軸心周りに、相対的に回転することになる。前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構にかかる外部トルクが開放されるので、関節装置の破損を防止することがきる。
【００２２】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている点にある。
【００２３】
上述の構成によれば、フレクスプラインの延出軸の軸方向に固定機構により所定の締付力で締付固定した状態で一対のリンク部材を相対的に回転させると、各ローラが受圧体及び加圧体に接しながら転動する。各ローラは延出軸の回転軌道に対して所定角度だけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体で規制されながら延出軸の回転軌道に沿って移動するため、各ローラと受圧体及び加圧体との間に前記延出軸の軸方向の締付力に比例した摩擦力が発生する。その際、各ローラは、転動しながら滑り摩擦を発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による安定した抵抗力が得られる。従って、固定機構により延出軸の軸方向の締付力を適切に設定することにより、一対のリンク部材に対する許容外部トルクを適切に調整することができる。
【００２４】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている点にある。
【００２５】
上述の構成によれば、関節装置の用いられる環境により適宜トルク制限機構の許容外部トルクを動的に調整することができる。
【００２６】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている点にある。
【００２７】
上述の構成によれば、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構を破損から保護するとともに、リンク部材がストッパ機構に当接し特異姿勢となることで、各構成部材の剛性で前記大きな外力を支持することができる。
【００２８】
本発明によるロボットアームの特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。
【００２９】
上述の構成によれば、ロボットアームの関節に上述の関節装置を組み込むことにより、駆動リンクに過大な外力が作用した際に高減速比のハーモニックドライブ減速機を保護するとともにメカニカルストッパの位置まで回転して機構的に大きな外力の支持が可能な特異姿勢を自ら採らせることができる。このことにより幅広いレンジにわたって外界との力学的相互作用に対応することが可能なロボットアームを実現することができる。
【００３０】
本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項６に記載した通り、ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。
【００３１】
上述の構成によれば、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができる
【発明の効果】
【００３２】
以上説明した通り、本発明によれば、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの実施の形態を説明する。
【００３４】
図１に示すように、関節装置１は、一対のリンク部材Ｌ１，Ｌ２と、一対のリンク部材Ｌ１，Ｌ２を軸心Ｐ周りに回転する関節部材Ｊと、一方のリンク部材Ｌ１に固定された軸心Ｐと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータＭと、伝動機構Ｔを備え、リンク部材Ｌ１の一端に固定されたモータＭの出力が伝動機構Ｔを介してリンク部材Ｌ１の他端に軸支された関節部材Ｊに伝達され、関節部材Ｊが軸心Ｐ周りに回転することで、関節部材Ｊに接続されたリンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転するように構成されている。リンク部材Ｌ１の他端側には、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構１３がネジ１４により固着されている。
【００３５】
伝動機構Ｔは、小径のベベルギアＧ１と、ベベルギアＧ１と噛合する大径のベベルギアＧ２と、平歯車Ｇ３と、平歯車Ｇ３と噛合する平歯車Ｇ４で構成されている。ベベルギアＧ１はモータＭの出力軸に嵌入連結され、ベベルギアＧ２は平歯車Ｇ３の回転軸に止めねじ１５で嵌入固定され、平歯車Ｇ４の回転軸には関節部材Ｊが連結されている。
【００３６】
関節部材Ｊは、ハーモニックドライブ減速機構（以下、「ハーモニックドライブ」と記す。）Ｈと、トルク制限機構Ｒで構成されている。
【００３７】
ハーモニックドライブＨは、楕円状のカムとその外周に嵌めたベアリングにより構成された入力部としてのウェーブジェネレータ３１と、薄肉カップ状の金属弾性体で開口部の外周に歯部が形成された回転部としてのフレクスプライン３２と、リング状の剛体内周にフレクスプライン３２と同ピッチでその歯数がフレクスプライン３２の歯部より二枚多い歯部が形成された出力部としてのサーキュラスプライン３４で構成されている。ウェーブジェネレータ３１は、伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に止めねじ１６で嵌入固定され、フレクスプライン３２のカップ底面部には固定部としての延出軸３３が固着され、延出軸３３はサーキュラスプライン３４にベアリング３５を介して支持され、サーキュラスプライン３４の外周にはケーシング３６が固着され、ケーシング３６にはリンク部材Ｌ２が接続されている。尚、サーキュラスプライン３４の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はない。
【００３８】
図２に示すように、モータＭの出力が伝動機構Ｔを介してウェーブジェネレータ３１に伝達され、図中破線矢印で示される方向に回転すると、それに伴ないフレクスプライン３２が弾性変形し、フレクスプライン３２の外周部に形成された歯部３７と、歯部３７と噛合するサーキュラスプライン３４の内周部に形成された歯部３８との噛み合い位置が順次移動しながら、フレクスプライン３２に対してサーキュラスプライン３４が図中実線矢印で示される方向に相対的に回転する。歯部３７の歯数は、歯部３８の歯数より二枚少ないので、これによりモータＭからの出力が減速されることとなる。
【００３９】
トルク制限機構Ｒは、軸心Ｐ方向の締付力に応じた回転摩擦が得られる回転摩擦機構４０と、回転摩擦機構４０を所定の締付力で締付固定する固定機構５０を備えている。
【００４０】
回転摩擦機構４０は、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、転動軸心ｂが軸心Ｐと垂直方向ａに対して所定の傾斜角度θで転動自在に且つ受圧体４１の回転軌道に沿って保持体４３に保持された複数のローラ４２が、受圧体４１と加圧体４５の対向面間に所定の締付力で挟持されている。複数のローラ４２は転動軸心ｂ方向に一様に延びる円柱形状をなし、後述する保持体４３に形成された保持孔４４により受圧体４１の周方向に等間隔で転動自在に配列されている。また、各ローラ４２の両端面は保持体４３との摩擦を少なくするために凸球面状に形成されている。尚、受圧体４１及び加圧体４５はローラ４２との当接面が平面に形成されていればよく、その形状は円環状に限られない。
【００４１】
保持体４３は、軸心Ｐ方向の厚みがローラ４２の外径よりも小さく形成されている。保持体４３にはローラ４２を保持する複数の保持孔４４が形成され、各保持孔４４にはローラ４２が転動自在に収容されている。また、各保持孔４４は、図３（ｃ）に示すようにローラ４２の転動軸心ｂが受圧体４１の径方向ａに対して所定の角度θだけ傾斜するように形成されている。
【００４２】
従って、図３（ｄ）に示すように、受圧体４１及び加圧体４５を軸心Ｐ方向に加圧した状態で回転させると、ローラ４２が受圧体４１及び加圧体４５に接しながら転動し、これに追従して保持体４３も回転する。その際、各ローラ４２は、受圧体４１及び加圧体４５の回転軌道に対して角度θだけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体４３で規制されながら受圧体４１及び加圧体４５の回転軌道に沿って移動するため、各ローラ４２と受圧体４１及び加圧体４５との間には軸心Ｐ方向の荷重に比例した摩擦力が発生する。
【００４３】
つまり、上述の摩擦力を上回る回転トルクにより初めて受圧体４１及び加圧体４５は相対的に回転するのである。
【００４４】
上述の回転摩擦装置４０がフレクスプライン３２の延出軸３３に外嵌され、固定機構５０として延出軸３３に筒状体５５を外嵌固定し、その周囲おねじを形成し、バネ座金５３を介してナット５１が螺着することで、受圧体４１と加圧体４５が軸心Ｐ方向に所定の締付力で締付固定される。ナット５１は止めねじ５２により任意の締付力となるように延出軸３３に固定できる。このように、ナット５１の締付力によって、受圧体４１及び加圧体４５の相対的な回転運動に軸心Ｐ方向の荷重に比例した任意の保持トルクを付与することができ、しかも止めねじ５１により締付力を調整固定することにより、トルク制限機構Ｒの保持トルクを極めて容易に制御することができる。尚、延出軸３３の外周におねじを形成し、ナット５１と噛合させる場合は、筒状体５５は必ずしも備える必要はない。
【００４５】
尚、固定機構５０として、ナット５１、止めねじ５２、バネ座金５３により出力軸３３と受圧体４１との間の締付力を固定する構成に限らず、前記締付力を動的に調整するアクチュエータを備えてもよい。このようなアクチュエータとしては超音波モータ、圧電素子、エアシリンダ等を用いることができる。
【００４６】
超音波モータを用いる場合は、延出軸３３に回転摩擦装置４０を外嵌し、超音波モータを構成する圧電セラミック、ステータを外嵌し、その後延出軸３３に形成したおねじと噛合するめねじが形成されたロータを外嵌するように構成にすればよい。前記圧電セラミックにより発生させた超音波振動を利用してステータにたわみ波動を発生させ、その進行波を利用してロータを回転させると、前記ロータは回転に伴ない延出軸３３に沿って軸心Ｐ方向に移動するので、回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４７】
圧電素子を用いる場合は、バネ座金５３に替えて、またはバネ座金５３を介してナット５１及び回転摩擦機構４０の間に圧電素子を挟持するように構成にすればよい。前記圧電素子に電圧を加えることで、前記圧電素子自体の厚みが変位するので回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４８】
エアシリンダを用いる場合は、バネ座金５３に替えて、またはバネ座金５３を介してナット５１及び回転摩擦機構４０の間にエアシリンダを挟持するように構成にすればよい。前記エアシリンダに外部から注入する空気圧を調整することで、回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４９】
上述の構成により、関節装置１は、モータＭを一方向に回転駆動することにより、その出力が伝動機構Ｔを介してハーモニックドライブＨのウェーブジェネレータ３１を駆動し、フレクスプライン３２はトルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１へ固定されているため、サーキュラスプライン３４が軸心Ｐ周りに回転し、リンク部材Ｌ２はリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転（以下、「正回転」と記す。）することとなる。モータＭを逆方向に回転駆動することにより、リンク部材Ｌ２は、正回転とは逆方向に回転（以下、「負回転」と記す。）することとなる。
【００５０】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊを介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構４０の受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸３３が回転トルクと逆方向へ回転（以下、「逆回転」と記す。）するので、前記外力がハーモニックドライブＨを破損する虞が回避されるのである。
【００５１】
正回転時には、リンク部材Ｌ２が逆回転し続け、ストッパ機構１３に当接すると、リンク部材Ｌ１，１２が直線状に位置する特異姿勢となり、外力を支持することとなる。負回転時には、リンク部材Ｌ２が逆回転し続け、リンク部材Ｌ１と当接し外力を支持することとなる。
【００５２】
関節部材Ｊには軸心Ｐ周りのリンク部材Ｌ２のリンク部材Ｌ１に対する回転角度を検出するエンコーダを内装することが可能である。リンク部材Ｌ２の回転角度は、正回転及び負回転時、つまりモータＭによる回転に伴なって回転するときは、モータＭに備えられたエンコーダにより回転角度は検出できる。モータＭと逆回転時には、モータＭに備えられたエンコーダと関節部材Ｊに備えたエンコーダによって、リンク部材Ｌ２の回転角度が検出できるようになる。つまり、リンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与され、リンク部材Ｌ２が外力により回転トルクと逆方向へ回転していることを検出できる。
【００５３】
尚、ストッパ機構１３にリンク部材Ｌ２と当接したことを検出する接触センサを備え、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１と直線状に位置する特異姿勢でとなったことを検出し、モータＭに備えられたエンコーダと関節部材Ｊに備えられたエンコーダにより検出される回転角度をリセットするように構成してもよい。
【００５４】
次に、上述の関節装置をユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットの関節に用いた構成を説明する。
【００５５】
図４（ａ）に示すように、ユニバーサルロボットハンドＵは、人間の掌に対応する基体６０と、人間の手の母指（第一指）、示指（第二指）、中指（第三指）、薬指（第四指）、小指（第五指）に対応する五本のフィンガーユニット（以下、「指体」とも記す。）Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５とから構成されている。
【００５６】
各指体Ｆは、夫々複数のリンク部材Ｌと、リンク部材Ｌを所定の軸心周りに回転する複数の関節部材Ｊを介して連結した複数の関節装置で構成される。
【００５７】
指体Ｆ２は、図４（ｂ）に示すように、基体６０に一端が接続されたリンク部材Ｌ２１の他端に第一軸心Ｐ２１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ２１が接続され、第一関節部材Ｊ２１にリンク部材Ｌ２２の一端が接続され、リンク部材Ｌ２２の他端に第一軸心Ｐ２１と直交する第二軸心Ｐ２２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ２２が接続され、第二関節部材Ｊ２２にリンク部材Ｌ２３の一端が接続され、リンク部材Ｌ２３の他端に第二軸心Ｐ２２と平行な第三軸心Ｐ２３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ２３が接続され、第三関節部材Ｊ２３にリンク部材Ｌ２４の一端が接続され、リンク部材Ｌ２４の他端に第三軸心Ｐ２３と平行な第四軸心Ｐ２４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ２４が接続され、第四関節部材Ｊ２４に指先を構成するリンク部材Ｌ２５が接続され構成されている。尚、指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５も同様の構成である。
【００５８】
第一関節部材Ｊ２１の回転により指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、第二関節部材Ｊ２２から第四関節部材Ｊ２４の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。
【００５９】
指体Ｆ１は、図４（ｃ）に示すように、基体６０に一端が接続されたリンク部材Ｌ１１の他端に第一軸心Ｐ１１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ１１が接続され、第一関節部材Ｊ１１にリンク部材Ｌ１２の一端が接続され、リンク部材Ｌ１２の他端に第一軸心Ｐ１１と直交する第二軸心Ｐ１２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ１２が接続され、第二関節部材Ｊ１２にリンク部材Ｌ１３の一端が接続され、リンク部材Ｌ１３の他端に第一軸心Ｐ１２と平行な第三軸心Ｐ１３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ１３が接続され、第三関節部材Ｊ１３にリンク部材Ｌ１４の一端が接続され、リンク部材Ｌ１４の他端に第一軸心Ｐ１２と平行な第四軸心Ｐ１４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ１４が接続され、第四関節部材Ｊ１４に指先を構成するリンク部材Ｌ１５が接続され構成されている
【００６０】
第一関節部材Ｊ１１を回転し、指体Ｆ１を指体Ｆ２と対向配置にすることで指体Ｆ１と指体Ｆ２間で対象物を挟持可能となる。尚、前記指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は指体Ｆ２と平行に配列されているので、指体Ｆ１は指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５とも対向配置され、指体Ｆ１と指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の間でも対象物を挟時可能である。また、指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の第一関節部材Ｊの各軸心Ｐは平行であるため、指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の夫々の間での挟持も可能である。
【００６１】
各指体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体Ｆ２について説明する。図５（ａ），（ｂ）に示すように、リンク部材Ｌ２１に固定されたモータＭ２１の出力が伝動機構Ｔ２１を介して関節部材Ｊ２１のハーモニックドライブＨ２１に伝達されリンク部材Ｌ２２（Ｌ２２ａ，２２ｂ）を回転させ、リンク部材Ｌ２２に固定されてたモータＭ２２の出力が伝動機構Ｔ２２を介して関節部材Ｊ２２のハーモニックドライブＨ２２に伝達されリンク部材Ｌ２３（Ｌ２３ａ，２３ｂ）を回転させ、リンク部材２３に内装されたモータＭ２３の出力が伝動機構Ｔ２３を介して関節部材Ｊ２３のハーモニックドライブＨ２３に伝達されリンク部材Ｌ２４（Ｌ２４ａ，Ｌ２４ｂ）を回転させるように構成されている。尚、リンク部材Ｌ２２ａ及びＬ２２ｂはモータＭ２２に対して夫々固定されるので、機械的に一体とみなし、リンク部材Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂを特に区別することなくリンク部材Ｌ２２と表現する。リンク部材Ｌ２３，Ｌ２４も同様である。
【００６２】
モータＭ２３の出力は伝動機構Ｔ２３及び伝動機構Ｔ２４を介してリンク部材２４に接続された関節部材Ｊ２４のハーモニックドライブＨ２４に伝達され、指先を構成するリンク部材Ｌ２５を回転するように構成されている。
【００６３】
従って、モータＭ２２，Ｍ２３を一方向に回転駆動することにより、伝動機構Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４を介してハーモニックドライブ，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４が回転され、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４の夫々が軸心Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、モータＭ２２，Ｍ２，Ｍ２３を逆方向に回転駆動することにより、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４の夫々が軸心Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４周りで開放方向に揺動駆動されるフィンガーユニットＦ２となる。
【００６４】
次に、フィンガーユニットＦ２の把持動作の一例について詳述する。図６（ａ）に示すように、フィンガーユニットＦ２を把持対象物９０に対向させ、モータＭ２２，２３を一方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持方向に回転駆動される。基端側の関節部材Ｊ２２に接続されたリンク部材Ｌ２３に把持対象物９０が当接すると、把持対象物９０からの反力を受け、その強さが保持トルク以上になるとトルク制限機構Ｒ２２がモータＭ２２による回転トルクをハーモニックドライブＨ２２に伝達しなくなる。つまり、リンク部材Ｌ２３はリンク部材Ｌ２１に対して回転しない。このとき、モータＭ２２による回転駆動力によりリンク部材Ｌ２３は対象物に一定の接触力で接触し続けることになる。関節部材Ｊ２３，Ｊ２４及びリンク部材Ｌ２４，Ｌ２５に関しても同様の動作が繰り返されることで、対象物に対して複数点で接当支持することができるようになるのである。このときの状態が図６（ｂ）に示されている。
【００６５】
図６（ｂ）に示される状態からモータＭ２２，２３を逆方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持対象物９０を開放する方向に回転駆動され、リンク部材Ｌが各関節装置に備えられたストッパ機構に当接するまで回転し、フィンガーユニットＦ２は特異姿勢となる。このときの状態が図６（ａ）に示される。
【００６６】
つまり、モータＭ２２，Ｍ２３を正方向に回転させることにより実行される上述の把持動作の後に、モータＭ２２，Ｍ２３を逆方向に回転させることにより、逆方向に回転する関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４に連動してリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５が逆方向に回転駆動され、対象物に接当しているリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５が把持対象物９０から離間する。その後、ストッパ機構によりリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５の回転が所定位置で阻止されるので、トルク制限機構Ｒが作動して、モータＭ２２，Ｍ２３の出力がリンク部材Ｌに伝達されず、一定の初期姿勢に確実に復帰させることができるようになるのである。
【００６７】
尚、各関節部材Ｊのトルク制限機構Ｒの保持トルクは、同じ値に設定してもよく、また、フィンガーユニットＦ及びユニバーサルロボットハンドＵの用いられる環境に応じて、夫々個別の強さに設定してもよい。
【００６８】
次に、フィンガーユニットＦ２による把持動作時に、障害物等による外力９１がある場合についてその一例を説明する。
【００６９】
図６（ａ）に示すように、フィンガーユニットＦ２を把持対象物９０に対向させ、モータＭ２２，２３を一方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持方向に回転駆動される。このとき、図７（ａ）に示すように、把持対象物９０の付近に障害物等があり、リンク部材Ｌ２４にトルク制限機構Ｒ２４の保持トルク以上の外力９１が働くと、トルク制限機構Ｒ２４はモータＭ２３の回転トルクをリンク部材Ｌ２５に伝達しなくなる。関節部材Ｊ２３は外力により、モータＭ２３による回転トルクと逆方向に回転し、図７（ｂ）に示すように、リンク部材Ｌ２４はリンク部材Ｌ２３のストッパ機構に当接するまで逆回転することになる。このようにして、関節部材Ｊ２３のハーモニックドライブＨ２３は破損の虞を回避できるのである。
【００７０】
さらに、フィンガーユニットのリンク部材の関節側端部に力覚センサを備えることで、指体にかかる歪を検出することができる。力覚センサとしては、ストレインゲージ式圧力センサや圧電素子等の任意の歪検出素子を用いることができる。
【００７１】
また、フィンガーユニットのリンク部材の中央部に触覚センサを備えることでフィンガーユニットが把持対象物に接触したことを検出できる。
【００７２】
上述のように、フィンガーユニットのリンク部材に力覚センサ及び触覚センサを備えることで、挟持対象物の形状がどのような形においても、指体の姿勢制御及び圧力制御が可能となり、その具体的構成は特開２００６−１９８７４８号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。
【００７３】
尚、上述のフィンガーユニットやユニバーサルロボットハンドの構造については基本的な要素のみの説明であり、実際に設計する際には、本発明の作用効果が奏される範囲で種々の変更が許容されるものである。例えば、フィンガーユニットを弾性を有する樹脂カバー体で被覆し、把持対象物を衝撃から保護できるように構成することが可能である。
【００７４】
従って、上述のフィンガーユニットＦを備えたユニバーサルロボットハンドＵによれば、対象物の形状や大きさが多少変わるものであっても、またバラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢が夫々異なるものであっても適切に把持動作することができる。さらに、フィンガーユニットＦに備えられた力覚センサ及び触覚センサからの情報に基づいて、アクチュエータにより関節部材Ｊの締付力を動的に調整することで、把持対象物に応じて柔軟に対応することができる。しかも、フィンガーユニットが把持等の動作中に、障害物等によりトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、前記外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブＨを破損する虞が回避され、リンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、より大きな外力を支持することができるのである。
【００７５】
上述の関節装置は、ユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットに限らず、ロボットアームの関節にも用いることができる。この場合も、関節装置がリンク部材を回転させるときに、当該関節装置に備えられたトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブ減速機構を破損する虞が回避されリンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、ハーモニックドライブによる保持トルクより大きな外力を支持することができるのである。
【００７６】
このように、フィンガーユニット及びユニバーサルロボットハンドＵは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために確実な繰り返し動作が保証され、把持動作を機械的に実現することから、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することができ、バラ積み部品等のように把持対象物の置かれた位置・姿勢、或いは把持対象物の形や寸法が少しでも異なる場合でも把持動作が行えるようになり、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができるようになるのである。
【００７７】
以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの別の実施の形態を説明する。
【００７８】
上述の実施形態では、リンク部材Ｌ１の他端側に、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構１３がネジ１４により固着されている構成について説明したが、ストッパ機構はこれに限られず、ストッパ機構としての板状体を、リンク部材Ｌ１の上端部からリンク部材Ｌ２の方向へ延出配置し、リンク部材Ｌ２とストッパ機構が当接することで、リンク部材Ｌ２の逆方向への回転を所定位置で阻止するように構成するものであってもよく、その具体的構成は適宜変更することができる。
【００７９】
上述の実施形態では、回転摩擦機構４０は、転動軸心ｂが軸心Ｐの垂直方向ａ対して所定の角度θ傾斜した構成について説明したが、転動軸心ｂが軸心Ｐの垂直方向ａとのなす角度は得に限定するものではなく適宜設定されるものであり、その具体的構成は特開平０８−０７４８４３号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。
【００８０】
上述の実施形態では、トルク制限機構に回転摩擦機構を用いたものを説明したが、トルク制限機構としてはこれに限るものではなく、公知のトルクリミッタで構成することも可能である。
【００８１】
上述の実施形態では、アクチュエータとしてモータについて明示しなかったがアクチュエータとしては、エアモータ、電磁モータ、油圧モータ、電磁回転ソレノイド、パワーシリンダ等の直動アクチュエータ等、適宜使用することができることはいうまでもない。
【００８２】
上述の実施形態では、伝動機構としてベベルギア及び平歯車によりモータの出力を関節部材に伝達する構成について説明したが、これもそのように限定するものではなく、プーリとタイミングベルト、ギアートレイン、コントロールワイヤ、ベルト、チェーン等の無限回転機構等公知の伝動機構を採用することができる。
【００８３】
例えば、図８（ａ）に示すような、小径のベベルギアＧ１０とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２０を介してモータＭの出力をハーモニックドライブＨに伝達する伝動機構であったり、図８（ｂ）に示すように、小径のベベルギアＧ３０に小径のベベルギアＧ４０が噛合し、ベベルギアＧ４０を平歯車Ｗ１０、アイドル平歯車Ｗ２０、平歯車Ｗ３０を介してモータＭの出力をハーモニックドライブＨに伝達する伝動機構であってもよい。上述の構成を採用することによって、関節部材Ｊの径を小さく構成することが可能となる。
【００８４】
同様に、図８（ｃ）に示すように、平歯車Ｗ１０，Ｗ３０及びアイドル平歯車Ｗ２０の代わりにタイミングプーリ・ベルトＢを用いた場合も関節部材Ｊを小さくすることが可能となる。
【００８５】
何れの場合にも、関節部材Ｊを小さくすることができるため、関節装置１を小さくすることが可能となる。
【００８６】
上述の実施形態では、関節装置の関節部分に組み込む減速機構として、高減速比のハーモニックドライブ減速機構を備えた構成について説明したが、減速機構としてはハーモニックドライブ減速機構に限定するものではなく、適宜、関節駆動機構の構成を変更することにより遊星歯車減速機構、サイクロ減速機（登録商標、以下同じ）等の減速機構を備えて構成することが可能である。
【００８７】
つまり、本発明による関節装置は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転する入力部と、前記入力部の外周部と接合する回転部を備えた固定部と、前記回転部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成された出力部とからなる減速機構を備え、前記固定部がトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記出力部が他方のリンク部材に直接または間接的に固定されて構成されていればよい。
【００８８】
以下、関節装置の別実施形態として、減速機構として遊星歯車減速機構を用いた関節装置２の構成について説明する。なお、図１（ｂ）に示す関節装置１と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。
【００８９】
図９（ａ）に示すように、遊星歯車減速機構Ｙは、入力部としての太陽歯車７０と、太陽歯車７０と噛合する回転部としての複数の遊星歯車７１と、遊星歯車７１を保持する固定部としての遊星キャリア７２と、出力部としての外輪歯車７３で構成され、図９（ｂ）に示すように、太陽歯車７０が伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に止めねじ１６で嵌入固定され、遊星キャリア７２に延出軸７４が固着され、延出軸７４がトルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定される。外輪歯車７３の外周にはケーシング３６が固着され、ケーシング３６にはリンク部材Ｌ２が接続され関節部材Ｊ２が構成される。尚、外輪歯車７３の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Ｔの構成も上述の図８に示すように適宜選択される。
【００９０】
モータＭの出力が伝動機構Ｔを介して太陽歯車７０に伝達されると、遊星歯車の７１の回転軸は遊星キャリア７２により支持されているので、太陽歯車７０の回転は、遊星歯車７１に伝達され、遊星歯車７１の回転が外輪歯車７３に伝達され、リンク部材Ｌ２は、リンク部材Ｌ１に対して相対的に回転することとなる。
【００９１】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊ２を介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構の受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸７４が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力が遊星歯車減速機構Ｙを破損する虞が回避されるのである。
【００９２】
なお、図９（ｃ）に示すように、遊星キャリア７３に受圧体４１を固定し、受圧体４１に出力軸７４を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜設計される。
【００９３】
さらに別の実施形態として、関節部材を構成する減速機構としてサイクロ減速機を用いた関節装置３の構成について説明する。なお、図１（ｂ）に示す関節装置１と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。
【００９４】
図１０（ａ）に示すように、サイクロ減速機Ｃは、入力部としての偏心カム８０と、偏心カム８０を挿通する開口が中央部に形成された回転部としての曲線板８１と、固定部としての複数の内ピン８２と、出力部としての複数の外ピン８３を備え、曲線板８１には各内ピン８２と噛合する内ピンと同数の内ピン用開口８５が形成され、さらに外周はエピトロコイド曲線面が形成され外ピン８３と噛合するように構成されている。
【００９５】
偏心カム８０が伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に嵌入固定され、曲線板８１中央部開口に偏心カム８０が挿通される。複数の内ピン８２は内ピン保持部材８４に所定間隔で固定され夫々が曲線板８１の内ピン用開口８５に挿通される。内ピン保持部材８４に出力軸８６が固定され、トルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定される。さらに、曲線板８１の外周に形成されたエピトロコイド曲線面に沿って外ピン８３を保持する外ピン保持部材８７にケーシング３６が固着され、ケーシングに３６にリンク部材Ｌ２が接続される。尚、外ピン保持部材８７の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Ｔの構成も上述の図８に示すように適宜選択される。
【００９６】
モータＭの出力が伝動機構Ｔを介して偏心カム８０に伝達されると、偏心カム８０の偏心回転とともに曲線体８１が偏心運動し、エピトロコイド曲線面が順次外ピン８３と噛合しながらリンク部材Ｌ２をリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転させることとなる。このとき内ピン８２及び内ピン保持部材８４は、トルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定されているので回転しない。
【００９７】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊ３を介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構Ｒの受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸８６が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力がサイクロ減速機Ｃを破損する虞が回避されるのである。
【００９８】
なお、図１０（ｃ）に示すように、内ピン保持部材８４に受圧体４５を固定し、受圧体４５に出力軸８６を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜選択される。
【００９９】
上述の実施形態では、三個の関節装置で一個のフィンガーユニットを構成するものを説明したが、フィンガーユニットを構成する関節装置の数は特に限定するものではなく、一個の関節装置でフィンガーユニットを構成するものであってもよい。さらには、ユニバーサルロボットハンドを構成するフィンガーユニットの数及びロボットアームを構成する関節装置の数も特に限定するものではない。
【０１００】
上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】（ａ）は本発明による関節装置の正面図、（ｂ）は関節装置の側断面図
【図２】本発明によるハーモニックドライブの回転動作説明図
【図３】トルク制限機構として回転摩擦機構の説明図で、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は要部説明図、（ｃ）はローラ群の配置姿勢の説明図、（ｄ）は作用説明図
【図４】（ａ）は本発明によるユニバーサルロボットハンドの概略図、（ｂ）は示指（第二指）に対応するフィンガーユニットの概略説明図、（ｃ）は母指（第一指）に対応するフィンガーユニットの概略説明図
【図５】（ａ）は本発明によるフィンガーユニットの平面図、（ｂ）は同正面図
【図６】本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、（ａ）は初期姿勢の説明図、（ｂ）は把持姿勢の説明図
【図７】本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、（ａ）は把持動作中に外力が働いたことの説明図、（ｂ）は外力により特異姿勢となることの説明図
【図８】（ａ）は別実施形態の説明図、（ｂ）は別実施形態の説明図、（ｃ）は別実施形態の説明図
【図９】別実施形態の説明図で（ａ）は、遊星歯車減速機構の説明図、（ｂ）は関節装置の断面図、（ｃ）は関節装置の概略図
【図１０】別実施形態の説明図で（ａ）は、サイクロ減速機の説明図、（ｂ）は関節装置の断面図、（ｃ）は関節装置の概略図
【図１１】従来技術によるロボットハンドの構成図
【図１２】従来技術によるロボットハンドの構成図
【符号の説明】
【０１０２】
１：関節装置
２：関節装置
３：関節装置
１３：ストッパ機構
１４：ネジ
１５：止めねじ
１６：止めねじ
３１：ウェーブジェネレータ
３２：フレクスプライン
３３：延出軸
３４：サーキュラスプライン
３５：ベアリング
３６：ケーシング
３７：歯部
３８：歯部
４０：回転摩擦機構
４１：受圧体
４３：保持体
４２：ローラ
４５：加圧体
４４：保持孔
５０：固定機構
５１：ナット
５２：止めねじ
５３：バネ座金
６０：基体
７０：太陽歯車
７１：遊星歯車
７２：遊星キャリア７
７３：外輪歯車
７４：延出軸
８０：偏心カム
８１：曲線板
８２：内ピン
８３：外ピン
８４：内ピン保持部材
８５：内ピン用開口
８６：出力軸
８７：外ピン保持部材
９０：把持対象物
９１：外力
Ｂ：タイミングプーリ・ベルト
Ｃ：サイクロ減速機
Ｆ１：母指（第一指）
Ｆ２：示指（第二指）
Ｆ３：中指（第三指）
Ｆ４：薬指（第四指）
Ｆ５：小指（第五指）
Ｇ１：ベベルギア
Ｇ２：ベベルギア
Ｇ３：平歯車
Ｇ４：平歯車
Ｇ１０：ベベルギア
Ｇ２０：ベベルギア
Ｇ３０：ベベルギア
Ｇ４０：ベベルギア
Ｈ：ハーモニックドライブ
Ｈ２１：ハーモニックドライブ
Ｈ２２：ハーモニックドライブ
Ｈ２４：ハーモニックドライブ
Ｊ：関節部材
Ｊ２：関節部材
Ｊ３：関節部材
Ｊ１１：第一関節部材
Ｊ１２：第二関節部材
Ｊ１３：第三関節部材
Ｊ１４：第四関節部材
Ｊ２１：第一関節部材
Ｊ２２：第二関節部材
Ｊ２３：第三関節部材
Ｊ２４：第四関節部材
Ｌ１：リンク部材
Ｌ２：リンク部材
Ｌ１１：リンク部材
Ｌ１２：リンク部材
Ｌ１３：リンク部材
Ｌ１４：リンク部材
Ｌ１５：リンク部材
Ｌ２１：リンク部材
Ｌ２２（Ｌ２２ａ，２２ｂ）：リンク部材
Ｌ２３（Ｌ２３ａ，２３ｂ）：リンク部材
Ｌ２４（Ｌ２４ａ，Ｌ２４ｂ）：リンク部材
Ｌ２５：リンク部材
Ｐ：軸心
Ｐ１１：第一軸心
Ｐ１２：第二軸心
Ｐ１３：第三軸心
Ｐ１４：第四軸心
Ｐ２１：第一軸心
Ｐ２２：第二軸心
Ｐ２３：第三軸心
Ｐ２４：第四軸心
Ｒ：トルク制限機構
Ｍ：モータ
Ｍ２１：モータ
Ｍ２２：モータ
Ｍ２３：モータ
Ｔ：伝動機構
Ｔ２１：伝動機構
Ｔ２２：伝動機構
Ｔ２３：伝動機構
Ｔ２４：伝動機構
Ｕ：ユニバーサルロボットハンド
Ｗ１０：平歯車
Ｗ２０：アイドル平歯車
Ｗ３０：平歯車
Ｙ：遊星歯車減速機構
ａ：径方向
ｂ：転動軸心
θ：角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置、関節装置を用いたロボットアーム、及び、フィンガーユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置（以下、「ハンド」とも記す。）にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。
【０００３】
このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。
【０００４】
そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。
【０００５】
一方、人は複数の関節を持つ５本の指からなる手で複雑な作業を器用に実行することができる。人の手のような構造ならびに形状を持ち、人の手と同様の運動制御機能を有したユニバーサルなロボットハンドを実現することができるならば、ロボットは、人間と同様、一つのハンド機構で様々な複雑作業を器用に行うことが可能になる。また、ロボットに合わせてその都度開発していた特殊作業工具は必要でなくなり、ロボットは、従来、人が使用してきた汎用作業工具を用いて作業を行うことも可能となる。
【０００６】
このような背景の下、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。
【０００７】
このようなロボットハンドとして、特許文献１には、図１１に示すように、人間の手と類似した運動ができるロボットハンド構造、即ち、四関節Ｊ１００，Ｊ２００，Ｊ３００，Ｊ４００備えた指を複数本配置し、各関節を駆動するモータを内蔵したロボットハンドにおいて、各指の根本側の第一関節Ｊ１００と第二関節Ｊ２００の軸が１点で直交し、その二つの関節を独立に駆動できるように１つの指について二つのモータを掌に設けたことを特徴とするロボットハンドが提案されている。
【０００８】
上述の文献には、第三関節Ｊ３００用のモータＭ３００と駆動連結された４節リンク機構Ｌを介して第四関節Ｊ４００の軸を駆動することで、一つのモータにより第三関節Ｊ３００と第四関節Ｊ４００を同時に同じ方向に回転可能な構成、及び、指先に力覚センサＳ１００を備えた構成が提案されている。
【０００９】
しかし、関節で連結されるリンクＬ３００、Ｌ４００に対して、モータＭ３００からギア式の減速機構を介してリンクＬ３００を駆動するとともに減速機構からさらにリンクやワイヤー等の駆動伝動機構、ここでは４節リンク機構Ｌを介してリンクＬ４００を駆動するごとき構成を採用する場合には、減速機構によるギアのバックラッシュや駆動伝動機構による機械的遊びによるガタの発生のために正確な指の動作制御が困難となるばかりか、モータから減速機構を経て駆動伝動機構に動力を伝達するために駆動伝達機構は多大のトルクを伝達することが必要となり駆動伝達機構の大型化、延いてはロボットハンドの大型化を招くという問題があった。
【００１０】
そこで、本願発明者らは、特許文献２に示すように、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたコンパクト設計が可能なロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することを目的とした関節装置を提案している。
【００１１】
具体的には、図１２に示すように、一方のリンク部材Ｌ１０１に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材Ｌ２０２に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ減速機Ｈ１０１を関節部材に組み込み、基端側リンク部材Ｌ１０１に収容したモータ（アクチュエータ）Ｍ１０１の出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構Ｔ１０１と、モータＭ１０１の出力を第一の伝動機構Ｔ１０１及び基端側リンク部材Ｌ１０１に隣接するリンク部材Ｌ２０２に収容した伝達シャフトＳ１０１を介して基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機Ｈ２０２のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構Ｔ２０２を備えた関節装置である。
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５２５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、関節装置の駆動機構として、アクチュエータからの動力を減速機を介して関節軸へ伝達してリンクを駆動する方式を採用すると、減速機によって増力することができるため、小さな出力のアクチュエータでも関節リンクを駆動するために必要な大きな動力が得られるという利点を持つ。
【００１３】
アクチュエータとして、取扱いの容易さからＤＣモータなどの電気モータが多く使用されているが、電気モータは一般に高速回転・低トルクであるためロボットの関節機構では高減速比の減速機を介して使用することが必要となる。
【００１４】
こうしたアクチュエータ及び減速機から構成される関節駆動機構はバックドライバビリティ（関節軸からアクチュエータ出力軸を動かすこと）に劣るため、環境から駆動リンクへ外部トルクが作用すると、そのほとんどが減速機の構造へ作用することとなる。
【００１５】
そのため、ロボットアームやロボットフィンガー等に用いられる関節装置に使用される減速機は、外部トルクに対して十分な構造強度を有することが必要となる。
【００１６】
しかも、ロボットの関節装置はその運動の高速化ならびに機構の軽量化の必要から、より小型軽量で高減速比の減速機を限られたスペースにコンパクトに配置するように設計することが要求される。
【００１７】
しかし、小型軽量で高減速比の減速機を得ようとすると、その歯型形状を小さくしなければならず、出力軸に作用する外部トルクに対して十分な構造強度を得ることは困難となる。
【００１８】
従って、ロボットアーム等の運転に際しては、環境から関節リンク機構へ作用する力が減速機出力軸の許容外部トルクの範囲内に収まるように、限定して使用することが要求されるという問題があった。
【００１９】
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている点にある。
【００２１】
上述の特徴構成によれば、モータの出力が伝動機構を介してハーモニックドライブ減速機構を構成するウェーブジェネレータに伝達されると、フレクスプラインを介してサーキュラスプラインに伝達されるので、サーキュラスプラインと固定された他方のリンク部材は、フレクスプラインと固定された一方のリンク部材に対してウェーブジェネレータの回転軸心周りに、相対的に回転することになる。前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構にかかる外部トルクが開放されるので、関節装置の破損を防止することがきる。
【００２２】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている点にある。
【００２３】
上述の構成によれば、フレクスプラインの延出軸の軸方向に固定機構により所定の締付力で締付固定した状態で一対のリンク部材を相対的に回転させると、各ローラが受圧体及び加圧体に接しながら転動する。各ローラは延出軸の回転軌道に対して所定角度だけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体で規制されながら延出軸の回転軌道に沿って移動するため、各ローラと受圧体及び加圧体との間に前記延出軸の軸方向の締付力に比例した摩擦力が発生する。その際、各ローラは、転動しながら滑り摩擦を発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による安定した抵抗力が得られる。従って、固定機構により延出軸の軸方向の締付力を適切に設定することにより、一対のリンク部材に対する許容外部トルクを適切に調整することができる。
【００２４】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている点にある。
【００２５】
上述の構成によれば、関節装置の用いられる環境により適宜トルク制限機構の許容外部トルクを動的に調整することができる。
【００２６】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている点にある。
【００２７】
上述の構成によれば、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構を破損から保護するとともに、リンク部材がストッパ機構に当接し特異姿勢となることで、各構成部材の剛性で前記大きな外力を支持することができる。
【００２８】
本発明によるロボットアームの特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。
【００２９】
上述の構成によれば、ロボットアームの関節に上述の関節装置を組み込むことにより、駆動リンクに過大な外力が作用した際に高減速比のハーモニックドライブ減速機を保護するとともにメカニカルストッパの位置まで回転して機構的に大きな外力の支持が可能な特異姿勢を自ら採らせることができる。このことにより幅広いレンジにわたって外界との力学的相互作用に対応することが可能なロボットアームを実現することができる。
【００３０】
本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項６に記載した通り、ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。
【００３１】
上述の構成によれば、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができる
【発明の効果】
【００３２】
以上説明した通り、本発明によれば、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの実施の形態を説明する。
【００３４】
図１に示すように、関節装置１は、一対のリンク部材Ｌ１，Ｌ２と、一対のリンク部材Ｌ１，Ｌ２を軸心Ｐ周りに回転する関節部材Ｊと、一方のリンク部材Ｌ１に固定された軸心Ｐと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータＭと、伝動機構Ｔを備え、リンク部材Ｌ１の一端に固定されたモータＭの出力が伝動機構Ｔを介してリンク部材Ｌ１の他端に軸支された関節部材Ｊに伝達され、関節部材Ｊが軸心Ｐ周りに回転することで、関節部材Ｊに接続されたリンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転するように構成されている。リンク部材Ｌ１の他端側には、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構１３がネジ１４により固着されている。
【００３５】
伝動機構Ｔは、小径のベベルギアＧ１と、ベベルギアＧ１と噛合する大径のベベルギアＧ２と、平歯車Ｇ３と、平歯車Ｇ３と噛合する平歯車Ｇ４で構成されている。ベベルギアＧ１はモータＭの出力軸に嵌入連結され、ベベルギアＧ２は平歯車Ｇ３の回転軸に止めねじ１５で嵌入固定され、平歯車Ｇ４の回転軸には関節部材Ｊが連結されている。
【００３６】
関節部材Ｊは、ハーモニックドライブ減速機構（以下、「ハーモニックドライブ」と記す。）Ｈと、トルク制限機構Ｒで構成されている。
【００３７】
ハーモニックドライブＨは、楕円状のカムとその外周に嵌めたベアリングにより構成された入力部としてのウェーブジェネレータ３１と、薄肉カップ状の金属弾性体で開口部の外周に歯部が形成された回転部としてのフレクスプライン３２と、リング状の剛体内周にフレクスプライン３２と同ピッチでその歯数がフレクスプライン３２の歯部より二枚多い歯部が形成された出力部としてのサーキュラスプライン３４で構成されている。ウェーブジェネレータ３１は、伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に止めねじ１６で嵌入固定され、フレクスプライン３２のカップ底面部には固定部としての延出軸３３が固着され、延出軸３３はサーキュラスプライン３４にベアリング３５を介して支持され、サーキュラスプライン３４の外周にはケーシング３６が固着され、ケーシング３６にはリンク部材Ｌ２が接続されている。尚、サーキュラスプライン３４の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はない。
【００３８】
図２に示すように、モータＭの出力が伝動機構Ｔを介してウェーブジェネレータ３１に伝達され、図中破線矢印で示される方向に回転すると、それに伴ないフレクスプライン３２が弾性変形し、フレクスプライン３２の外周部に形成された歯部３７と、歯部３７と噛合するサーキュラスプライン３４の内周部に形成された歯部３８との噛み合い位置が順次移動しながら、フレクスプライン３２に対してサーキュラスプライン３４が図中実線矢印で示される方向に相対的に回転する。歯部３７の歯数は、歯部３８の歯数より二枚少ないので、これによりモータＭからの出力が減速されることとなる。
【００３９】
トルク制限機構Ｒは、軸心Ｐ方向の締付力に応じた回転摩擦が得られる回転摩擦機構４０と、回転摩擦機構４０を所定の締付力で締付固定する固定機構５０を備えている。
【００４０】
回転摩擦機構４０は、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、転動軸心ｂが軸心Ｐと垂直方向ａに対して所定の傾斜角度θで転動自在に且つ受圧体４１の回転軌道に沿って保持体４３に保持された複数のローラ４２が、受圧体４１と加圧体４５の対向面間に所定の締付力で挟持されている。複数のローラ４２は転動軸心ｂ方向に一様に延びる円柱形状をなし、後述する保持体４３に形成された保持孔４４により受圧体４１の周方向に等間隔で転動自在に配列されている。また、各ローラ４２の両端面は保持体４３との摩擦を少なくするために凸球面状に形成されている。尚、受圧体４１及び加圧体４５はローラ４２との当接面が平面に形成されていればよく、その形状は円環状に限られない。
【００４１】
保持体４３は、軸心Ｐ方向の厚みがローラ４２の外径よりも小さく形成されている。保持体４３にはローラ４２を保持する複数の保持孔４４が形成され、各保持孔４４にはローラ４２が転動自在に収容されている。また、各保持孔４４は、図３（ｃ）に示すようにローラ４２の転動軸心ｂが受圧体４１の径方向ａに対して所定の角度θだけ傾斜するように形成されている。
【００４２】
従って、図３（ｄ）に示すように、受圧体４１及び加圧体４５を軸心Ｐ方向に加圧した状態で回転させると、ローラ４２が受圧体４１及び加圧体４５に接しながら転動し、これに追従して保持体４３も回転する。その際、各ローラ４２は、受圧体４１及び加圧体４５の回転軌道に対して角度θだけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体４３で規制されながら受圧体４１及び加圧体４５の回転軌道に沿って移動するため、各ローラ４２と受圧体４１及び加圧体４５との間には軸心Ｐ方向の荷重に比例した摩擦力が発生する。
【００４３】
つまり、上述の摩擦力を上回る回転トルクにより初めて受圧体４１及び加圧体４５は相対的に回転するのである。
【００４４】
上述の回転摩擦装置４０がフレクスプライン３２の延出軸３３に外嵌され、固定機構５０として延出軸３３に筒状体５５を外嵌固定し、その周囲おねじを形成し、バネ座金５３を介してナット５１が螺着することで、受圧体４１と加圧体４５が軸心Ｐ方向に所定の締付力で締付固定される。ナット５１は止めねじ５２により任意の締付力となるように延出軸３３に固定できる。このように、ナット５１の締付力によって、受圧体４１及び加圧体４５の相対的な回転運動に軸心Ｐ方向の荷重に比例した任意の保持トルクを付与することができ、しかも止めねじ５１により締付力を調整固定することにより、トルク制限機構Ｒの保持トルクを極めて容易に制御することができる。尚、延出軸３３の外周におねじを形成し、ナット５１と噛合させる場合は、筒状体５５は必ずしも備える必要はない。
【００４５】
尚、固定機構５０として、ナット５１、止めねじ５２、バネ座金５３により出力軸３３と受圧体４１との間の締付力を固定する構成に限らず、前記締付力を動的に調整するアクチュエータを備えてもよい。このようなアクチュエータとしては超音波モータ、圧電素子、エアシリンダ等を用いることができる。
【００４６】
超音波モータを用いる場合は、延出軸３３に回転摩擦装置４０を外嵌し、超音波モータを構成する圧電セラミック、ステータを外嵌し、その後延出軸３３に形成したおねじと噛合するめねじが形成されたロータを外嵌するように構成にすればよい。前記圧電セラミックにより発生させた超音波振動を利用してステータにたわみ波動を発生させ、その進行波を利用してロータを回転させると、前記ロータは回転に伴ない延出軸３３に沿って軸心Ｐ方向に移動するので、回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４７】
圧電素子を用いる場合は、バネ座金５３に替えて、またはバネ座金５３を介してナット５１及び回転摩擦機構４０の間に圧電素子を挟持するように構成にすればよい。前記圧電素子に電圧を加えることで、前記圧電素子自体の厚みが変位するので回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４８】
エアシリンダを用いる場合は、バネ座金５３に替えて、またはバネ座金５３を介してナット５１及び回転摩擦機構４０の間にエアシリンダを挟持するように構成にすればよい。前記エアシリンダに外部から注入する空気圧を調整することで、回転摩擦機構４０の軸心Ｐ方向の締付力を任意に調整することができる。
【００４９】
上述の構成により、関節装置１は、モータＭを一方向に回転駆動することにより、その出力が伝動機構Ｔを介してハーモニックドライブＨのウェーブジェネレータ３１を駆動し、フレクスプライン３２はトルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１へ固定されているため、サーキュラスプライン３４が軸心Ｐ周りに回転し、リンク部材Ｌ２はリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転（以下、「正回転」と記す。）することとなる。モータＭを逆方向に回転駆動することにより、リンク部材Ｌ２は、正回転とは逆方向に回転（以下、「負回転」と記す。）することとなる。
【００５０】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊを介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構４０の受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸３３が回転トルクと逆方向へ回転（以下、「逆回転」と記す。）するので、前記外力がハーモニックドライブＨを破損する虞が回避されるのである。
【００５１】
正回転時には、リンク部材Ｌ２が逆回転し続け、ストッパ機構１３に当接すると、リンク部材Ｌ１，１２が直線状に位置する特異姿勢となり、外力を支持することとなる。負回転時には、リンク部材Ｌ２が逆回転し続け、リンク部材Ｌ１と当接し外力を支持することとなる。
【００５２】
関節部材Ｊには軸心Ｐ周りのリンク部材Ｌ２のリンク部材Ｌ１に対する回転角度を検出するエンコーダを内装することが可能である。リンク部材Ｌ２の回転角度は、正回転及び負回転時、つまりモータＭによる回転に伴なって回転するときは、モータＭに備えられたエンコーダにより回転角度は検出できる。モータＭと逆回転時には、モータＭに備えられたエンコーダと関節部材Ｊに備えたエンコーダによって、リンク部材Ｌ２の回転角度が検出できるようになる。つまり、リンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与され、リンク部材Ｌ２が外力により回転トルクと逆方向へ回転していることを検出できる。
【００５３】
尚、ストッパ機構１３にリンク部材Ｌ２と当接したことを検出する接触センサを備え、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１と直線状に位置する特異姿勢でとなったことを検出し、モータＭに備えられたエンコーダと関節部材Ｊに備えられたエンコーダにより検出される回転角度をリセットするように構成してもよい。
【００５４】
次に、上述の関節装置をユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットの関節に用いた構成を説明する。
【００５５】
図４（ａ）に示すように、ユニバーサルロボットハンドＵは、人間の掌に対応する基体６０と、人間の手の母指（第一指）、示指（第二指）、中指（第三指）、薬指（第四指）、小指（第五指）に対応する五本のフィンガーユニット（以下、「指体」とも記す。）Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５とから構成されている。
【００５６】
各指体Ｆは、夫々複数のリンク部材Ｌと、リンク部材Ｌを所定の軸心周りに回転する複数の関節部材Ｊを介して連結した複数の関節装置で構成される。
【００５７】
指体Ｆ２は、図４（ｂ）に示すように、基体６０に一端が接続されたリンク部材Ｌ２１の他端に第一軸心Ｐ２１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ２１が接続され、第一関節部材Ｊ２１にリンク部材Ｌ２２の一端が接続され、リンク部材Ｌ２２の他端に第一軸心Ｐ２１と直交する第二軸心Ｐ２２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ２２が接続され、第二関節部材Ｊ２２にリンク部材Ｌ２３の一端が接続され、リンク部材Ｌ２３の他端に第二軸心Ｐ２２と平行な第三軸心Ｐ２３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ２３が接続され、第三関節部材Ｊ２３にリンク部材Ｌ２４の一端が接続され、リンク部材Ｌ２４の他端に第三軸心Ｐ２３と平行な第四軸心Ｐ２４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ２４が接続され、第四関節部材Ｊ２４に指先を構成するリンク部材Ｌ２５が接続され構成されている。尚、指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５も同様の構成である。
【００５８】
第一関節部材Ｊ２１の回転により指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、第二関節部材Ｊ２２から第四関節部材Ｊ２４の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。
【００５９】
指体Ｆ１は、図４（ｃ）に示すように、基体６０に一端が接続されたリンク部材Ｌ１１の他端に第一軸心Ｐ１１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ１１が接続され、第一関節部材Ｊ１１にリンク部材Ｌ１２の一端が接続され、リンク部材Ｌ１２の他端に第一軸心Ｐ１１と直交する第二軸心Ｐ１２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ１２が接続され、第二関節部材Ｊ１２にリンク部材Ｌ１３の一端が接続され、リンク部材Ｌ１３の他端に第一軸心Ｐ１２と平行な第三軸心Ｐ１３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ１３が接続され、第三関節部材Ｊ１３にリンク部材Ｌ１４の一端が接続され、リンク部材Ｌ１４の他端に第一軸心Ｐ１２と平行な第四軸心Ｐ１４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ１４が接続され、第四関節部材Ｊ１４に指先を構成するリンク部材Ｌ１５が接続され構成されている
【００６０】
第一関節部材Ｊ１１を回転し、指体Ｆ１を指体Ｆ２と対向配置にすることで指体Ｆ１と指体Ｆ２間で対象物を挟持可能となる。尚、前記指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は指体Ｆ２と平行に配列されているので、指体Ｆ１は指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５とも対向配置され、指体Ｆ１と指体Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の間でも対象物を挟時可能である。また、指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の第一関節部材Ｊの各軸心Ｐは平行であるため、指体Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の夫々の間での挟持も可能である。
【００６１】
各指体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体Ｆ２について説明する。図５（ａ），（ｂ）に示すように、リンク部材Ｌ２１に固定されたモータＭ２１の出力が伝動機構Ｔ２１を介して関節部材Ｊ２１のハーモニックドライブＨ２１に伝達されリンク部材Ｌ２２（Ｌ２２ａ，２２ｂ）を回転させ、リンク部材Ｌ２２に固定されてたモータＭ２２の出力が伝動機構Ｔ２２を介して関節部材Ｊ２２のハーモニックドライブＨ２２に伝達されリンク部材Ｌ２３（Ｌ２３ａ，２３ｂ）を回転させ、リンク部材２３に内装されたモータＭ２３の出力が伝動機構Ｔ２３を介して関節部材Ｊ２３のハーモニックドライブＨ２３に伝達されリンク部材Ｌ２４（Ｌ２４ａ，Ｌ２４ｂ）を回転させるように構成されている。尚、リンク部材Ｌ２２ａ及びＬ２２ｂはモータＭ２２に対して夫々固定されるので、機械的に一体とみなし、リンク部材Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂを特に区別することなくリンク部材Ｌ２２と表現する。リンク部材Ｌ２３，Ｌ２４も同様である。
【００６２】
モータＭ２３の出力は伝動機構Ｔ２３及び伝動機構Ｔ２４を介してリンク部材２４に接続された関節部材Ｊ２４のハーモニックドライブＨ２４に伝達され、指先を構成するリンク部材Ｌ２５を回転するように構成されている。
【００６３】
従って、モータＭ２２，Ｍ２３を一方向に回転駆動することにより、伝動機構Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４を介してハーモニックドライブ，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４が回転され、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４の夫々が軸心Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、モータＭ２２，Ｍ２，Ｍ２３を逆方向に回転駆動することにより、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４の夫々が軸心Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４周りで開放方向に揺動駆動されるフィンガーユニットＦ２となる。
【００６４】
次に、フィンガーユニットＦ２の把持動作の一例について詳述する。図６（ａ）に示すように、フィンガーユニットＦ２を把持対象物９０に対向させ、モータＭ２２，２３を一方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持方向に回転駆動される。基端側の関節部材Ｊ２２に接続されたリンク部材Ｌ２３に把持対象物９０が当接すると、把持対象物９０からの反力を受け、その強さが保持トルク以上になるとトルク制限機構Ｒ２２がモータＭ２２による回転トルクをハーモニックドライブＨ２２に伝達しなくなる。つまり、リンク部材Ｌ２３はリンク部材Ｌ２１に対して回転しない。このとき、モータＭ２２による回転駆動力によりリンク部材Ｌ２３は対象物に一定の接触力で接触し続けることになる。関節部材Ｊ２３，Ｊ２４及びリンク部材Ｌ２４，Ｌ２５に関しても同様の動作が繰り返されることで、対象物に対して複数点で接当支持することができるようになるのである。このときの状態が図６（ｂ）に示されている。
【００６５】
図６（ｂ）に示される状態からモータＭ２２，２３を逆方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持対象物９０を開放する方向に回転駆動され、リンク部材Ｌが各関節装置に備えられたストッパ機構に当接するまで回転し、フィンガーユニットＦ２は特異姿勢となる。このときの状態が図６（ａ）に示される。
【００６６】
つまり、モータＭ２２，Ｍ２３を正方向に回転させることにより実行される上述の把持動作の後に、モータＭ２２，Ｍ２３を逆方向に回転させることにより、逆方向に回転する関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４に連動してリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５が逆方向に回転駆動され、対象物に接当しているリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５が把持対象物９０から離間する。その後、ストッパ機構によりリンク部材Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５の回転が所定位置で阻止されるので、トルク制限機構Ｒが作動して、モータＭ２２，Ｍ２３の出力がリンク部材Ｌに伝達されず、一定の初期姿勢に確実に復帰させることができるようになるのである。
【００６７】
尚、各関節部材Ｊのトルク制限機構Ｒの保持トルクは、同じ値に設定してもよく、また、フィンガーユニットＦ及びユニバーサルロボットハンドＵの用いられる環境に応じて、夫々個別の強さに設定してもよい。
【００６８】
次に、フィンガーユニットＦ２による把持動作時に、障害物等による外力９１がある場合についてその一例を説明する。
【００６９】
図６（ａ）に示すように、フィンガーユニットＦ２を把持対象物９０に対向させ、モータＭ２２，２３を一方向に回転させると、関節部材Ｊ２２，Ｊ２３，Ｊ２４が把持方向に回転駆動される。このとき、図７（ａ）に示すように、把持対象物９０の付近に障害物等があり、リンク部材Ｌ２４にトルク制限機構Ｒ２４の保持トルク以上の外力９１が働くと、トルク制限機構Ｒ２４はモータＭ２３の回転トルクをリンク部材Ｌ２５に伝達しなくなる。関節部材Ｊ２３は外力により、モータＭ２３による回転トルクと逆方向に回転し、図７（ｂ）に示すように、リンク部材Ｌ２４はリンク部材Ｌ２３のストッパ機構に当接するまで逆回転することになる。このようにして、関節部材Ｊ２３のハーモニックドライブＨ２３は破損の虞を回避できるのである。
【００７０】
さらに、フィンガーユニットのリンク部材の関節側端部に力覚センサを備えることで、指体にかかる歪を検出することができる。力覚センサとしては、ストレインゲージ式圧力センサや圧電素子等の任意の歪検出素子を用いることができる。
【００７１】
また、フィンガーユニットのリンク部材の中央部に触覚センサを備えることでフィンガーユニットが把持対象物に接触したことを検出できる。
【００７２】
上述のように、フィンガーユニットのリンク部材に力覚センサ及び触覚センサを備えることで、挟持対象物の形状がどのような形においても、指体の姿勢制御及び圧力制御が可能となり、その具体的構成は特開２００６−１９８７４８号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。
【００７３】
尚、上述のフィンガーユニットやユニバーサルロボットハンドの構造については基本的な要素のみの説明であり、実際に設計する際には、本発明の作用効果が奏される範囲で種々の変更が許容されるものである。例えば、フィンガーユニットを弾性を有する樹脂カバー体で被覆し、把持対象物を衝撃から保護できるように構成することが可能である。
【００７４】
従って、上述のフィンガーユニットＦを備えたユニバーサルロボットハンドＵによれば、対象物の形状や大きさが多少変わるものであっても、またバラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢が夫々異なるものであっても適切に把持動作することができる。さらに、フィンガーユニットＦに備えられた力覚センサ及び触覚センサからの情報に基づいて、アクチュエータにより関節部材Ｊの締付力を動的に調整することで、把持対象物に応じて柔軟に対応することができる。しかも、フィンガーユニットが把持等の動作中に、障害物等によりトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、前記外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブＨを破損する虞が回避され、リンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、より大きな外力を支持することができるのである。
【００７５】
上述の関節装置は、ユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットに限らず、ロボットアームの関節にも用いることができる。この場合も、関節装置がリンク部材を回転させるときに、当該関節装置に備えられたトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブ減速機構を破損する虞が回避されリンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、ハーモニックドライブによる保持トルクより大きな外力を支持することができるのである。
【００７６】
このように、フィンガーユニット及びユニバーサルロボットハンドＵは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために確実な繰り返し動作が保証され、把持動作を機械的に実現することから、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することができ、バラ積み部品等のように把持対象物の置かれた位置・姿勢、或いは把持対象物の形や寸法が少しでも異なる場合でも把持動作が行えるようになり、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができるようになるのである。
【００７７】
以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの別の実施の形態を説明する。
【００７８】
上述の実施形態では、リンク部材Ｌ１の他端側に、リンク部材Ｌ２がリンク部材Ｌ１に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構１３がネジ１４により固着されている構成について説明したが、ストッパ機構はこれに限られず、ストッパ機構としての板状体を、リンク部材Ｌ１の上端部からリンク部材Ｌ２の方向へ延出配置し、リンク部材Ｌ２とストッパ機構が当接することで、リンク部材Ｌ２の逆方向への回転を所定位置で阻止するように構成するものであってもよく、その具体的構成は適宜変更することができる。
【００７９】
上述の実施形態では、回転摩擦機構４０は、転動軸心ｂが軸心Ｐの垂直方向ａ対して所定の角度θ傾斜した構成について説明したが、転動軸心ｂが軸心Ｐの垂直方向ａとのなす角度は得に限定するものではなく適宜設定されるものであり、その具体的構成は特開平０８−０７４８４３号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。
【００８０】
上述の実施形態では、トルク制限機構に回転摩擦機構を用いたものを説明したが、トルク制限機構としてはこれに限るものではなく、公知のトルクリミッタで構成することも可能である。
【００８１】
上述の実施形態では、アクチュエータとしてモータについて明示しなかったがアクチュエータとしては、エアモータ、電磁モータ、油圧モータ、電磁回転ソレノイド、パワーシリンダ等の直動アクチュエータ等、適宜使用することができることはいうまでもない。
【００８２】
上述の実施形態では、伝動機構としてベベルギア及び平歯車によりモータの出力を関節部材に伝達する構成について説明したが、これもそのように限定するものではなく、プーリとタイミングベルト、ギアートレイン、コントロールワイヤ、ベルト、チェーン等の無限回転機構等公知の伝動機構を採用することができる。
【００８３】
例えば、図８（ａ）に示すような、小径のベベルギアＧ１０とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２０を介してモータＭの出力をハーモニックドライブＨに伝達する伝動機構であったり、図８（ｂ）に示すように、小径のベベルギアＧ３０に小径のベベルギアＧ４０が噛合し、ベベルギアＧ４０を平歯車Ｗ１０、アイドル平歯車Ｗ２０、平歯車Ｗ３０を介してモータＭの出力をハーモニックドライブＨに伝達する伝動機構であってもよい。上述の構成を採用することによって、関節部材Ｊの径を小さく構成することが可能となる。
【００８４】
同様に、図８（ｃ）に示すように、平歯車Ｗ１０，Ｗ３０及びアイドル平歯車Ｗ２０の代わりにタイミングプーリ・ベルトＢを用いた場合も関節部材Ｊを小さくすることが可能となる。
【００８５】
何れの場合にも、関節部材Ｊを小さくすることができるため、関節装置１を小さくすることが可能となる。
【００８６】
上述の実施形態では、関節装置の関節部分に組み込む減速機構として、高減速比のハーモニックドライブ減速機構を備えた構成について説明したが、減速機構としてはハーモニックドライブ減速機構に限定するものではなく、適宜、関節駆動機構の構成を変更することにより遊星歯車減速機構、サイクロ減速機（登録商標、以下同じ）等の減速機構を備えて構成することが可能である。
【００８７】
つまり、本発明による関節装置は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転する入力部と、前記入力部の外周部と接合する回転部を備えた固定部と、前記回転部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成された出力部とからなる減速機構を備え、前記固定部がトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記出力部が他方のリンク部材に直接または間接的に固定されて構成されていればよい。
【００８８】
以下、関節装置の別実施形態として、減速機構として遊星歯車減速機構を用いた関節装置２の構成について説明する。なお、図１（ｂ）に示す関節装置１と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。
【００８９】
図９（ａ）に示すように、遊星歯車減速機構Ｙは、入力部としての太陽歯車７０と、太陽歯車７０と噛合する回転部としての複数の遊星歯車７１と、遊星歯車７１を保持する固定部としての遊星キャリア７２と、出力部としての外輪歯車７３で構成され、図９（ｂ）に示すように、太陽歯車７０が伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に止めねじ１６で嵌入固定され、遊星キャリア７２に延出軸７４が固着され、延出軸７４がトルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定される。外輪歯車７３の外周にはケーシング３６が固着され、ケーシング３６にはリンク部材Ｌ２が接続され関節部材Ｊ２が構成される。尚、外輪歯車７３の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Ｔの構成も上述の図８に示すように適宜選択される。
【００９０】
モータＭの出力が伝動機構Ｔを介して太陽歯車７０に伝達されると、遊星歯車の７１の回転軸は遊星キャリア７２により支持されているので、太陽歯車７０の回転は、遊星歯車７１に伝達され、遊星歯車７１の回転が外輪歯車７３に伝達され、リンク部材Ｌ２は、リンク部材Ｌ１に対して相対的に回転することとなる。
【００９１】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊ２を介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構の受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸７４が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力が遊星歯車減速機構Ｙを破損する虞が回避されるのである。
【００９２】
なお、図９（ｃ）に示すように、遊星キャリア７３に受圧体４１を固定し、受圧体４１に出力軸７４を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜設計される。
【００９３】
さらに別の実施形態として、関節部材を構成する減速機構としてサイクロ減速機を用いた関節装置３の構成について説明する。なお、図１（ｂ）に示す関節装置１と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。
【００９４】
図１０（ａ）に示すように、サイクロ減速機Ｃは、入力部としての偏心カム８０と、偏心カム８０を挿通する開口が中央部に形成された回転部としての曲線板８１と、固定部としての複数の内ピン８２と、出力部としての複数の外ピン８３を備え、曲線板８１には各内ピン８２と噛合する内ピンと同数の内ピン用開口８５が形成され、さらに外周はエピトロコイド曲線面が形成され外ピン８３と噛合するように構成されている。
【００９５】
偏心カム８０が伝動機構Ｔの平歯車Ｇ４の回転軸に嵌入固定され、曲線板８１中央部開口に偏心カム８０が挿通される。複数の内ピン８２は内ピン保持部材８４に所定間隔で固定され夫々が曲線板８１の内ピン用開口８５に挿通される。内ピン保持部材８４に出力軸８６が固定され、トルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定される。さらに、曲線板８１の外周に形成されたエピトロコイド曲線面に沿って外ピン８３を保持する外ピン保持部材８７にケーシング３６が固着され、ケーシングに３６にリンク部材Ｌ２が接続される。尚、外ピン保持部材８７の外周に直接リンク部材Ｌ２を接続する場合は、ケーシング３６は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Ｔの構成も上述の図８に示すように適宜選択される。
【００９６】
モータＭの出力が伝動機構Ｔを介して偏心カム８０に伝達されると、偏心カム８０の偏心回転とともに曲線体８１が偏心運動し、エピトロコイド曲線面が順次外ピン８３と噛合しながらリンク部材Ｌ２をリンク部材Ｌ１に対して相対的に回転させることとなる。このとき内ピン８２及び内ピン保持部材８４は、トルク制限機構Ｒを介してリンク部材Ｌ１に固定されているので回転しない。
【００９７】
ここで、モータＭにより関節部材Ｊ３を介してリンク部材Ｌ２に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Ｒによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構Ｒの受圧体４１と加圧体４５が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸８６が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力がサイクロ減速機Ｃを破損する虞が回避されるのである。
【００９８】
なお、図１０（ｃ）に示すように、内ピン保持部材８４に受圧体４５を固定し、受圧体４５に出力軸８６を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜選択される。
【００９９】
上述の実施形態では、三個の関節装置で一個のフィンガーユニットを構成するものを説明したが、フィンガーユニットを構成する関節装置の数は特に限定するものではなく、一個の関節装置でフィンガーユニットを構成するものであってもよい。さらには、ユニバーサルロボットハンドを構成するフィンガーユニットの数及びロボットアームを構成する関節装置の数も特に限定するものではない。
【０１００】
上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】（ａ）は本発明による関節装置の正面図、（ｂ）は関節装置の側断面図
【図２】本発明によるハーモニックドライブの回転動作説明図
【図３】トルク制限機構として回転摩擦機構の説明図で、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は要部説明図、（ｃ）はローラ群の配置姿勢の説明図、（ｄ）は作用説明図
【図４】（ａ）は本発明によるユニバーサルロボットハンドの概略図、（ｂ）は示指（第二指）に対応するフィンガーユニットの概略説明図、（ｃ）は母指（第一指）に対応するフィンガーユニットの概略説明図
【図５】（ａ）は本発明によるフィンガーユニットの平面図、（ｂ）は同正面図
【図６】本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、（ａ）は初期姿勢の説明図、（ｂ）は把持姿勢の説明図
【図７】本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、（ａ）は把持動作中に外力が働いたことの説明図、（ｂ）は外力により特異姿勢となることの説明図
【図８】（ａ）は別実施形態の説明図、（ｂ）は別実施形態の説明図、（ｃ）は別実施形態の説明図
【図９】別実施形態の説明図で（ａ）は、遊星歯車減速機構の説明図、（ｂ）は関節装置の断面図、（ｃ）は関節装置の概略図
【図１０】別実施形態の説明図で（ａ）は、サイクロ減速機の説明図、（ｂ）は関節装置の断面図、（ｃ）は関節装置の概略図
【図１１】従来技術によるロボットハンドの構成図
【図１２】従来技術によるロボットハンドの構成図
【符号の説明】
【０１０２】
１：関節装置
２：関節装置
３：関節装置
１３：ストッパ機構
１４：ネジ
１５：止めねじ
１６：止めねじ
３１：ウェーブジェネレータ
３２：フレクスプライン
３３：延出軸
３４：サーキュラスプライン
３５：ベアリング
３６：ケーシング
３７：歯部
３８：歯部
４０：回転摩擦機構
４１：受圧体
４３：保持体
４２：ローラ
４５：加圧体
４４：保持孔
５０：固定機構
５１：ナット
５２：止めねじ
５３：バネ座金
６０：基体
７０：太陽歯車
７１：遊星歯車
７２：遊星キャリア７
７３：外輪歯車
７４：延出軸
８０：偏心カム
８１：曲線板
８２：内ピン
８３：外ピン
８４：内ピン保持部材
８５：内ピン用開口
８６：出力軸
８７：外ピン保持部材
９０：把持対象物
９１：外力
Ｂ：タイミングプーリ・ベルト
Ｃ：サイクロ減速機
Ｆ１：母指（第一指）
Ｆ２：示指（第二指）
Ｆ３：中指（第三指）
Ｆ４：薬指（第四指）
Ｆ５：小指（第五指）
Ｇ１：ベベルギア
Ｇ２：ベベルギア
Ｇ３：平歯車
Ｇ４：平歯車
Ｇ１０：ベベルギア
Ｇ２０：ベベルギア
Ｇ３０：ベベルギア
Ｇ４０：ベベルギア
Ｈ：ハーモニックドライブ
Ｈ２１：ハーモニックドライブ
Ｈ２２：ハーモニックドライブ
Ｈ２４：ハーモニックドライブ
Ｊ：関節部材
Ｊ２：関節部材
Ｊ３：関節部材
Ｊ１１：第一関節部材
Ｊ１２：第二関節部材
Ｊ１３：第三関節部材
Ｊ１４：第四関節部材
Ｊ２１：第一関節部材
Ｊ２２：第二関節部材
Ｊ２３：第三関節部材
Ｊ２４：第四関節部材
Ｌ１：リンク部材
Ｌ２：リンク部材
Ｌ１１：リンク部材
Ｌ１２：リンク部材
Ｌ１３：リンク部材
Ｌ１４：リンク部材
Ｌ１５：リンク部材
Ｌ２１：リンク部材
Ｌ２２（Ｌ２２ａ，２２ｂ）：リンク部材
Ｌ２３（Ｌ２３ａ，２３ｂ）：リンク部材
Ｌ２４（Ｌ２４ａ，Ｌ２４ｂ）：リンク部材
Ｌ２５：リンク部材
Ｐ：軸心
Ｐ１１：第一軸心
Ｐ１２：第二軸心
Ｐ１３：第三軸心
Ｐ１４：第四軸心
Ｐ２１：第一軸心
Ｐ２２：第二軸心
Ｐ２３：第三軸心
Ｐ２４：第四軸心
Ｒ：トルク制限機構
Ｍ：モータ
Ｍ２１：モータ
Ｍ２２：モータ
Ｍ２３：モータ
Ｔ：伝動機構
Ｔ２１：伝動機構
Ｔ２２：伝動機構
Ｔ２３：伝動機構
Ｔ２４：伝動機構
Ｕ：ユニバーサルロボットハンド
Ｗ１０：平歯車
Ｗ２０：アイドル平歯車
Ｗ３０：平歯車
Ｙ：遊星歯車減速機構
ａ：径方向
ｂ：転動軸心
θ：角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、
前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ（登録商標、以下同じ）減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている関節装置。
【請求項２】
前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向に対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている請求項１記載の関節装置。
【請求項３】
前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている請求項２記載の関節装置。
【請求項４】
前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている請求項１から３の何れかに記載の関節装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の関節装置が組み込まれたロボットアーム。
【請求項６】
ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、請求項１から４の何れかに記載の関節装置が組み込まれたフィンガーユニット。
【請求項１】
一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、
前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ（登録商標、以下同じ）減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている関節装置。
【請求項２】
前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向に対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている請求項１記載の関節装置。
【請求項３】
前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている請求項２記載の関節装置。
【請求項４】
前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている請求項１から３の何れかに記載の関節装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の関節装置が組み込まれたロボットアーム。
【請求項６】
ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、請求項１から４の何れかに記載の関節装置が組み込まれたフィンガーユニット。
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図４】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２９１８７４（Ｐ２００９−２９１８７４Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７１４９（Ｐ２００８−１４７１４９）
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【Ｆターム（参考）】
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