３自由度能動回転関節
【課題】３自由度能動回転関節の小型化および軽量化を図ると共に回転アクチュエータをバランスよく配置させて、一対のリンク間の動特性を向上させる。
【解決手段】一方のリンク１０ａが接続される回転体２０と、各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚが回転体２０の中心に指向し相互に直交するように配置され、回転体２０を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚと、各回転アクチュエータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚの出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚを回転体２０に結合させる位置で支持すると共に回転体２０の他の２軸まわりの回転を許容する可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚと、を備え、一方のリンク１０ａは回転体２０に対して、各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚから略同距離の位置に接続されている。
【解決手段】一方のリンク１０ａが接続される回転体２０と、各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚが回転体２０の中心に指向し相互に直交するように配置され、回転体２０を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚと、各回転アクチュエータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚの出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚを回転体２０に結合させる位置で支持すると共に回転体２０の他の２軸まわりの回転を許容する可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚと、を備え、一方のリンク１０ａは回転体２０に対して、各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚから略同距離の位置に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動を可能とする３自由度能動回転関節に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、様々な分野、例えば医療分野にまでロボット技術が応用されている。ロボットでは、人間の手、足、頭等の機能に似た働きをさせる必要があり、３自由度能動回転可能な関節が要求される。
【０００３】
一般的に、物体が互いに直交する３軸まわりに同時に回転することができる場合、物体が回転３自由度を持つという。例えば、人間の首は前後及び左右への動き、左右への回転を行うことができ、３自由度を持つ。
【０００４】
２つのリンクを継ぐ関節によって、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動が可能となる場合、この関節を３自由度回転関節という。特に、アクチュエータで能動的に動作することのできるものを能動関節、駆動力を発生することのできないものを受動関節という。
【０００５】
従来、３自由度能動回転関節としては、本出願人が先に出願した特許文献１に開示された３自由度能動回転関節がある。この３自由度能動回転関節では、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の３つの中空軸回転型モータを備え、各中空軸回転型モータの出力軸が回転体に結合されている。また、各中空軸回転型モータは、各出力軸の軸線まわりの回転を規制すると共に、他の直交２軸まわりの回転を許容するように支持体によって支持されている。したがって、３つのうち１つの中空軸回転型モータを回転させることで、回転体は１つの中空軸回転型モータの出力軸を中心にして回転する。同様に、他の２つの中空軸回転型モータも回転させることで、２リンク間において３自由度方向に任意に回転相対運動させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４４０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された３自由度能動回転関節では、比較的大きくて重量がある中空軸回転型モータを用いていることから、３自由度能動回転関節自体が大型化してしまうと共にその重さによってリンクの動特性に影響を与えてしまうという問題がある。また、特許文献１に開示された３自由度能動回転関節では、一対のリンクのうち、一方のリンクがＺ軸用の中空軸回転型モータの後端から突出して出力軸に同軸上に固定されている。また、Ｘ軸用の中空軸回転型モータおよびＹ軸用の中空軸回転型モータは、回転体の側方に互いに直交して配置されている。したがって、回転体に対して各中空軸回転型モータが、偏って配置されているために、３自由度能動回転関節のリンクの動特性に影響を与えてしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、３自由度能動回転関節の小型化および軽量化を図ると共に回転アクチュエータをバランスよく配置することで、一対のリンク間の動特性を向上させる３自由度能動回転関節を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各出力軸から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする。
本発明は、一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＸ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＹ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＺ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各回転アクチュエータをバランスよく配置させたことで、一対のリンク間の動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図２】３自由度能動回転関節の一部分解斜視図である。
【図３】回転球受けの構成を示す図である。
【図４】回転球受けの断面図である。
【図５】他の回転球受けの構成を示す図である。
【図６】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図７】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図８】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図９】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１０】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図１２】ベース体の構成を示す図である。
【図１３】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図１４】スライダー支持体の詳細を示す図である。
【図１５】スライダーと軸体との構成を示す図である。
【図１６】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１７】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１８】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る３自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図１は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節の一部を分解した斜視図である。
図１および図２に示すように、３自由度能動回転関節は、一対のリンク１０ａ、１０ｂ間に設けられる。
３自由度能動回転関節は、回転球２０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚと、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚをそれぞれ支持する可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚと、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け３０と、可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚを支持するベース体１４０とを含んで構成されている。なお、図２では、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｙ、１００ｚおよび可動体１１０ｙ、１１０ｚは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘ、可動体１１０ｘと同様の構成であり、省略している。
【００１３】
Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚは、回転アクチュエータであって、それぞれの出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚがそれぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置された状態で回転球２０に結合されている。すなわち、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘを駆動すると対応する出力軸１０１ｘがＸ軸まわりに回転球２０を回転させる。また、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙを駆動すると対応する出力軸１０１ｙ（不図示）がＹ軸まわりに回転球２０を回転させる。また、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚを駆動すると対応する出力軸１０１ｚがＺ軸まわりに回転球２０を回転させる。
【００１４】
これらＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚには、例えば、減速歯車が組み合わされたギアードモータや、その回転角や回転速度を測定するエンコーダ等が一体で構成されている。本実施形態の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚは、中空軸等を用いることなく、小型で軽量な回転型モータを用いている。
【００１５】
回転球２０は、回転体であって、その中心が直交３軸の原点に一致するように配置されている。回転球２０には、出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚのそれぞれから等しい距離に、一方のリンク１０ａが接続されている。より具体的には、回転球２０と出力軸１０１ｘとの結合部、回転球２０と出力軸１０１ｙとの結合部および回転球２０と出力軸１０１ｚとの結合部のそれぞれから等しい距離にリンク１０ａが接続されている。
【００１６】
回転球受け３０は、回転体受であって、図２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈し、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する球面滑り軸受けとして機能する。ここで、回転球受け３０の構成について、図３、図４および図５を参照して説明する。
図３（ａ）は回転球受け３０を上方から見た斜視図であり、図３（ｂ）は回転球受け３０の分解斜視図である。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、回転球受け３０は、複数（３つ）の受部材３１が結合されて構成されている。受部材３１は、それぞれ同一形状であって、略ひし形を湾曲させた形状に形成されている。各受部材３１の外周面には、それぞれ円柱状の軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚ（不図示）が形成されている。軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚは、可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚの後述する各スライダー支持体１１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚの内側ベアリング１３１に嵌合する。回転球受け３０が回転球２０を支持している状態では、軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚの突出方向は、それぞれＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に沿った方向となっている。また、各受部材３１には、隣接する受部材３１同士を結合するために、ボルトを締結するための締結孔３３が形成されている。
【００１７】
また、回転球受け３０は、回転球２０の下半球（下半分）を覆うことで回転球２０を回転自在に支持しているが、回転球２０の上半球（上半分）の少なくとも一部も覆っている。ここで、図３（ａ）に示すように、一つの受部材３１の頂部３４を通過するようなＩ−Ｉ線で鉛直方向に切断し、矢印方向から見た図４を参照して具体的に説明する。図４に示すように、受部材３１の頂部３４は、回転球２０の中心０を基準にして、鉛直下方向から９０度よりも大きい角度α（略１０８．５度）まで至っている。この断面図は、他の受部材３１の頂部３４を切断したときも同様である。したがって、回転球受け３０が回転球２０を支持したとき、回転球受け３０は各受部材３１の頂部３４によって回転球２０の上半球の一部を覆い、回転球２０を把持している。したがって、回転球２０が回転球受け３０から抜け出ることなく支持することができる。さらに、回転球２０の上半球は、一部のみしか覆われていないために、回転球２０から突出するリンク１０ａが可動するときに干渉することがなく、リンク１０ａの可動範囲を広くすることができる。本実施形態の回転球２０は、何れか一つの軸まわりに、例えば±３５度の範囲で回転できるように構成されている。
【００１８】
なお、受部材３１の構成は上述したものに限られず、例えば図５に示す受部材４１であってもよい。図５（ａ）は、回転球受け４０の斜視図であり、図５（ｂ）は、受部材４１の斜視図である。
回転受け４０は、それぞれ同一形状の複数（３つ）の受部材４１が結合されて構成されている。そして、受部材４１は、隣接する受部材４１同士を結合するときに各受部材４１を容易に位置決めできるように、受部材４１の接合面４２に凹凸が形成されている。すなわち、図５（ｂ）に示すように、一つの受部材４１には２つの接合面４２があり、一方の接合面４２に凸部４３が形成され、他方の接合面４２に凹部４４が形成されている。この凸部４３は、凹部４４にちょうど嵌合する形状である。
また、隣接する他の受部材４１も、図５（ｂ）に示す受部材４１と同一形状であるため、受部材４１の凹部４４に、隣接する一方の受部材４１の凸部４３が嵌合し、受部材４１の凸部４３に、隣接する他方の受部材４１の凹部４４が嵌合する。すなわち、隣接する受部材４１同士の凹凸を合わせることで、受部材４１間に段差が生じないように、回転球受け４０を組み立てることができる。したがって、回転球受け４０は、回転球２０を円滑に回転させることができ、回転球２０の動特性を向上させることができる。
【００１９】
可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚは、それぞれＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚを支持すると共に、回転球受け３０を支持している。ここでは、図２、図６および図７を参照して、可動体１１０ｘについて説明する。なお、可動体１１０ｙ、１１０ｚは、可動体１１０ｘと同一の構成であり、その説明は省略する。
図２に示すように、可動体１１０ｘは、回転型モータ１００ｘを支持するモータ受け１１１ｘと、モータ受け１１１ｘに一体で形成されたスライダー１１３ｘと、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持するスライダー支持体１１４ｘとを含んで構成されている。
【００２０】
モータ受け１１１ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘの出力軸１０１ｘが挿通される挿通孔１１２ｘが形成されている。モータ受け１１１ｘは、出力軸１０１ｘが回転球２０の中心を指向するようにＸ軸用の回転型モータ１００ｘを支持する。
スライダー１１３ｘは、回転球２０と同心円状でＹ軸を中心に湾曲した角柱状に形成されている。スライダー１１３ｘは、モータ受け１１１ｘの下部からスライダー支持体１１４ｘに向かって、一体で延出している。
スライダー支持体１１４ｘは、回転球２０と同心円状でＹ軸を中心に湾曲した中空角柱状に形成されていて、内部でスライダー１１３ｘを低摩擦で滑動させることができる。したがって、スライダー１１３ｘは、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｘ−Ｚ平面上でＹ軸回りに滑動する。
【００２１】
ここで、図６および図７を参照して、スライダー支持体１１４ｘについて説明する。図６（ａ）はスライダー支持体１１４ｘの斜視図であり、図６（ｂ）はスライダー支持体１１４ｘの分解斜視図である。また、図７（ａ）はスライダー支持体１１４ｘの一部を示す斜視図であり、図７（ｂ）はスライダー支持体１１４ｘの断面図である。各図では、図２に示すスライダー支持体１１４ｘを上下反転させて図示している。
スライダー支持体１１４ｘは、２つの側面部１１５ｘによって、その骨格が形成されている。図６（ｂ）および図７（ａ）に示すように、側面部１１５ｘ間には、複数（４つ）の回動軸１１６ｘが水平方向に懸架されている。各回動軸１１６ｘは、離間して配置された２つのコロ１１７ｘを回動自在に軸支している。
また、各側面部１１５ｘには、外側（図７（ａ）に示すＯＵＴ側）の回動軸１１６ｘと内側（図７（ａ）に示すＩＮ側）の回動軸１１６ｘとの間に、複数（２つ）の回動軸１１８ｘが略鉛直方向に懸架されている。各回動軸１１８ｘは、コロ１１９ｘを回動自在に軸支している。
【００２２】
スライダー支持体１１４ｘにスライダー１１３ｘを組み付けた状態で、スライダー１１３ｘの滑動方向から見ると、図７（ｂ）に示すように、スライダー１１３ｘの各側面にコロ１１７ｘ、１１９ｘが接触している。すなわち、外側（矢印ＯＵＴ方向側）に配設されているコロ１１７ｘと内側（矢印ＩＮ方向側）に配設されているコロ１１７ｘとの間には、スライダー１１３ｘの厚みｔと略同等の隙間が形成されている。また、右側（矢印Ｒ方向側）に配設されているコロ１１９ｘと左側（矢印Ｌ方向側）に配設されているコロ１１９ｘとの間には、スライダー１１３ｘの幅ｗと略同等の隙間が形成されている。
スライダー１１３ｘがスライダー支持体１１４ｘ内を滑動するときには、各コロ１１７ｘ、１１９ｘがスライダー１１３ｘの各側面を転動することで、スライダー１１３ｘはガタつきが発生せず低摩擦で滑動することができる。
【００２３】
また、図６に示すように、スライダー支持体１１４ｘには、外側ベアリング１３０を保持する外側ベアリング保持部１２１ｘと、内側ベアリング１３１を保持する内側ベアリング保持部１２３ｘとが設けられている。図６（ｂ）に示すように、外側ベアリング保持部１２１ｘは、左右に分割されて構成され、外側ベアリング１３０を左右から挟み込むことにより保持する。また、外側ベアリング保持部１２１ｘおよび側面部１１５ｘには、それぞれ図示しない固定ボルトが挿通される連通孔１２２ｘ、１２０ｘが形成されている。外側ベアリング保持部１２１ｘが左右の側面部１１５ｘによって挟み込まれた状態で、図示しない固定ボルトを用いて、各連通孔１２０ｘ、１２２ｘに挿通させて両側から固定する。すると、外側ベアリング１３０が外側ベアリング保持部１２１ｘに完全に保持される。なお、内側ベアリング保持部１２３ｘも同様の構成であり、その説明は省略する。
【００２４】
スライダー支持体１１４ｘが組み立てられた状態では、外側ベアリング１３０と内側ベアリング１３１との軸線は同一線上になっている。外側ベアリング１３０内には、ベース体１４０の後述するＺ軸と同軸の軸部１４１ｘが嵌合する。また、内側ベアリング１３１内には、上述した回転球受け３０のＺ軸と同軸の軸部３２ｘが嵌合する。
【００２５】
ベース体１４０は、図２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈している。ベース体１４０の下端には、鉛直下方向に沿って他方のリンク１０ｂが接続されている。また、ベース体１４０の上縁部には、各スライダー支持体１１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚの各外側ベアリング１３０に嵌合する円柱状の軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚが等間隔に離間して設けられている。回転球受け３０が回転球２０を支持している状態では、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚの突出方向は、それぞれＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に沿った方向となっている。すなわち、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚは、それぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されている。なお、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚには、３自由度能動回転関節の加重を受けるために、ベース体１４０を湾曲させて剛性を向上させている。
【００２６】
上述したように構成された可動体１１０ｘによれば、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘを出力軸１０１ｘが回転球２０の原点を指向するように支持する。
また、可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持する。したがって、スライダー１１３ｘに間接的に結合されたＸ軸用の回転型モータ１００ｘおよび回転球２０は、スライダー１１３ｘの湾曲方向、すなわちＹ軸まわりの回転が許容される。
また、上述したように構成された可動体１１０ｘによれば、可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、回転球受け３０の軸部３２ｘとベース体１４０の軸部１４１ｘとの間で、内側ベアリング１３１と外側ベアリング１３０とによって、Ｚ軸まわりに回動できるように支持されている。したがって、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘおよび回転球２０は、Ｚ軸まわりの回転が許容される。
【００２７】
ここで、図８〜図１０を参照して、可動体１１０ｘの動作について具体的に説明する。図８〜図１０は、Ｙ軸方向から見た３自由度能動回転関節の図である。
まず、図８に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙが駆動して回転球２０を矢印Ａ方向に回転させると、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＺ軸用の回転型モータ１００ｚ（不図示）も同様に矢印Ａ方向に回転する。可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持しているので、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘの回転と同期して、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘおよびスライダー１１３ｘが、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｙ軸まわりの矢印Ａ´方向に回転し、図９に示す状態となる。
ここで、図９に示すように、回転球２０に結合されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００２８】
次に、図９に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙが駆動して回転球２０を矢印Ｂ方向に回転させると、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＺ軸用の回転型モータ１００ｚ（不図示）も同様に矢印Ｂ方向に回転する。Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘのＹ軸まわりの回転と同期して、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘおよびスライダー１１３ｘが、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｙ軸まわりの矢印Ｂ´方向に回転し、図１０に示す状態となる。
ここで、図１０に示すように、回転球２０に結合されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００２９】
次に、図８に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚが駆動して回転球２０をＺ軸まわりの何れか一方の方向に回転させると、回転球２０のＺ軸まわりの回転に伴って、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＹ軸用の回転型モータ１００ｙも同方向に回転する。可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、回転球受け３０の軸部３２ｘおよびベース体１４０の軸部１４１ｘに対して、内側ベアリング１３１および外側ベアリング１３０を介して、Ｚ軸まわりに回転が許容されている。したがって、回転型モータ１００ｘのＺ軸まわりの回転と同期して、可動体１１０ｘがＺ軸まわりに回転する。したがって、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００３０】
また、可動体１１０ｙ、１１０ｚも、可動体１１０ｘと同様に構成されている。したがって、可動体１１０ｙは、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙおよび回転球２０のＸ軸まわりの回転とＺ軸まわりの回転とを許容する。また、可動体１１０ｚは、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚおよび回転球２０のＹ軸まわりとＸ軸まわりの回転とを許容する。
したがって、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚがそれぞれ駆動することにより、回転球２０がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸まわりに回転するので、回転球２０に接続されている一方のリンク１０ａは、他方のリンク１０ｂに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
【００３１】
特に、本実施形態の３自由度能動回転関節では、一方のリンク１０ａが回転球２０に対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚの各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚから略等しい距離に接続されている。すなわち、一方のリンク１０ａに対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚが均衡に配置されていることから、３自由度能動回転関節の重量バランスが安定し、リンクの動特性を向上させることができる。また、回転型モータの出力軸が特殊な中空軸を用いなくてもよいので、小型で軽量な回転型モータを用いることができ、３自由度能動回転関節を小型で軽量に構成でき、リンクの動特性を向上させることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る３自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図１１は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。本実施形態の３自由度能動回転関節は、第１の実施形態と異なりＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータの配置を変更したものであり、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
図１１に示すように、３自由度能動回転関節は、一対のリンク１０ａ、１０ｂ間に設けられる。
３自由度能動回転関節は、回転球２０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚと、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚそれぞれの駆動により回転球２０を回転させる可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚと、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け３０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持するベース体２４０とを含んで構成されている。Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは第１の実施形態と同様の回転型モータが用いられている。なお、第１の実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態のＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは、出力軸がそれぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置された状態でベース体２４０に支持されている。
ベース体２４０は、図１２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈している。ベース体２４０の下端には、鉛直下方向に沿って他方のリンク１０ｂが接続されている。また、ベース体２４０の上縁部には、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持するモータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚが等間隔に離間して設けられている。各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚには、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚの出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚ（図１２に示す二点鎖線を参照）が挿通される挿通孔２４２ｘ、２４２ｙ、２４２ｚが形成されている。各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚは、各出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚが回転球２０の中心を指向するようにＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持する。なお、各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚには、３自由度能動回転関節の加重を受けるために、ベース体２４０を湾曲させて剛性を向上させている。
【００３５】
可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚは、それぞれＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚの出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚに結合されている。したがって、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘを駆動すると対応する可動体２１０ｘがＸ軸まわりに回転する。また、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙを駆動すると対応する可動体２１０ｙがＹ軸まわりに回転する。また、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚを駆動すると対応する可動体２１０ｚがＺ軸まわりに回転する。
【００３６】
ここでは、図１１、図１３〜図１５を参照して、可動体２１０ｘについて説明する。なお、可動体２１０ｙ、２１０ｚは、可動体２１０ｘと同一の構成であり、その説明は省略する。図１１に示すように、可動体２１０ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘの出力軸２０１ｘと同期して回転するスライダー支持体２１１ｘと、スライダー支持体２１１ｘ内を滑動するスライダー２２０ｘと、スライダー２２０ｘと回転球２０との間を接続する軸体２３０ｘとを含んで構成されている。
【００３７】
スライダー支持体２１１ｘは、回転球２０と同心円状でＺ軸を中心に湾曲した中空角柱状に形成されていて、内部でスライダー２００ｘを低摩擦で滑動させることができる。
ここで、図１３および図１４を参照して、スライダー支持体２１１ｘについて説明する。図１３（ａ）はスライダー支持体２１１ｘを回転球２０の中心からＸ軸方向に見た図である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）を矢印Ｃ方向から見た図であり、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）を矢印Ｄ方向から見た図である。図１３（ｄ）は、図１３（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面斜視図である。
【００３８】
スライダー支持体２１１ｘは、２つの側面部２１２ｘにより、その骨格が形成されている。また、スライダー支持体２１１ｘは、第１の実施形態と同様、スライダー２２０ｘがガタつきが発生させずに低摩擦で滑動できるように、複数のコロがスライダー２２０ｘの各側面を転動可能に配設されている。
【００３９】
スライダー支持体２１１ｘの内側（図１３に示す矢印ＩＮ方向側）には、ベアリング保持部２１３ｘによりベアリング２５０が保持されている。ベアリング２５０には、第１の実施形態で説明した回転球受け３０の軸部３２ｘが嵌合する。また、スライダー支持体２１１ｘの外側（図１３に示す矢印ＯＵＴ方向側）には、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘの出力軸２０１ｘの回転を受ける回転受体２１４ｘが設けられている。
【００４０】
ここで、図１４を参照して、回転受体２１４ｘについて説明する。図１４（ａ）は回転受体２１４ｘとＸ軸用の回転型モータ２００ｘとを結合する前の状態を示す斜視図であり、図１４（ｂ）は、回転受体２１４ｘの分解斜視図である。
回転受体２１４ｘは、モータ連結部材２１５ｘと支持体連結部材２１６ｘとを含んで構成されている。モータ連結部材２１５ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘに対して出力軸２０１ｘの軸方向に沿って、図示しない複数の固定ボルトを用いて固定されることで、出力軸２０１ｘと同期して回転する。支持体連結部材２１６ｘは、図１４（ｂ）に示すように、モータ連結部材２１５ｘの回り止め突起２１７ｘを嵌合してから、出力軸２０１ｘの軸方向と直交する方向に図示しない複数の固定ボルトで固定することで、モータ連結部材２１５ｘと結合される。
支持体連結部材２１６ｘは、左右の側面部２１２ｘにより挟み込まれた状態で固定ボルトを用いて両側から固定される。したがって、スライダー支持体２１１ｘは、出力軸２０１ｘと同期して、Ｘ軸まわりに回転する。
【００４１】
スライダー２２０ｘは、回転球２０と同心円状でＺ軸を中心に湾曲した角柱状に形成されている。また、スライダー２２０ｘの先端では、軸体２３０ｘを回転球２０の中心に指向させるように支持している。
ここで、図１５を参照して、スライダー２２０ｘと軸体２３０ｘとについて説明する。スライダー２２０ｘの先端には、複数（２つ）のベアリング２５０が軸方向をＹ軸方向に沿うようにして、離間して保持されている。したがって、軸体２３０ｘは、ベアリング２５０によってＹ軸まわりに回転できる。また、軸体２３０ｘは、スライダー２２０ｘに支持される反対側が、回転球２０に結合される。
【００４２】
図１５に示すように、回転球２０には軸体２３０ｘの他に、可動体２１０ｙの軸体２３０ｙおよび可動体２１０ｚの軸体２３０ｚが結合されている。軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚは、それぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されている。また、回転球２０には、軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚのそれぞれから等しい距離に、一方のリンク１０ａが接続されている。より具体的には、回転球２０と軸体２３０ｘとの結合部、回転球２０と軸体２３０ｙとの結合部および回転球２０と軸体２３０ｚとの結合部のそれぞれから等しい距離にリンク１０ａが接続されている。
【００４３】
上述したように構成された可動体２１０ｘによれば、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘが駆動すると、スライダー支持体２１１ｘ、スライダー２２０ｘおよび軸体２３０ｘを介して、回転球２０をＸ軸まわりに回転させる。また、可動体２１０ｘのスライダー支持体２１１ｘは、スライダー２２０ｘを滑動可能に支持する。したがって、スライダー２２０ｘに間接的に結合された軸体２３０ｘおよび回転球２０は、スライダー２２０ｘの湾曲方向、すなわちＺ軸まわりの回転が許容される。
また、上述したように構成された可動体２１０ｘによれば、可動体２１０ｘのスライダー２２０ｘは、軸体２３０ｘをＹ軸まわりに回転できるように支持している。したがって、軸体２３０ｘおよび回転球２０は、Ｙ軸まわりの回転が許容される。
【００４４】
ここで、図１６〜図１８を参照して、可動体２１０ｘの動作について具体的に説明する。図１６〜図１８は、Ｚ軸方向から見た３自由度能動回転関節の図である。
まず、図１６に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚの駆動により軸体２３０ｚが回転球２０を矢印Ｅ方向に回転させると、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘも回転する。可動体２１０ｘのスライダー支持体２１１ｘは、スライダー２２０ｘを滑動可能に支持しているので、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘはスライダー支持体２１１ｘに対して、Ｚ軸まわりの矢印Ｅ´方向に回転し、図１７に示す状態となる。
ここで、図１７に示すように、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４５】
次に、図１７に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚの駆動により軸体２３０ｚが回転球２０を矢印Ｆ方向に回転させると、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘも回転する。軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘは、スライダー支持体２１１ｘに対して、Ｚ軸まわりの矢印Ｆ´方向に回転し、図１８に示す状態となる。
ここで、図１８に示すように、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４６】
次に、図１６に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙの駆動により軸体２３０ｙが回転球２０をＹ軸まわりの何れか一方の方向に回転させると、回転球２０のＹ軸まわりの回転に伴って、可動体１１０ｘの軸体２３０ｘも同方向に回転する。軸体２３０ｘは、スライダー２２０ｘのベアリング２５０を介して、Ｙ軸まわりに回転が許容されている。したがって、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙのＹ軸まわりの回転と同期して、軸体２３０ｘがＹ軸まわりに回転する。したがって、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４７】
また、可動体２１０ｙ、２１０ｚも、可動体２１０ｘと同様に構成されている。したがって、可動体２１０ｙは、軸体２３０ｙおよび回転球２０のＸ軸まわりの回転とＺ軸まわりの回転とを許容する。また、可動体２１０ｚは、軸体２３０ｚおよび回転球２０のＹ軸まわりの回転とＸ軸まわりの回転とを許容する。
したがって、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚがそれぞれ駆動することにより、回転球２０がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸まわりに回転するので、回転球２０に接続されている一方のリンク１０ａは、他方のリンク１０ｂに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
【００４８】
特に、本実施形態の３自由度能動回転関節では、一方のリンク１０ａが回転球２０に対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚに結合された可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚの各軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚから略等しい距離に接続されている。すなわち、一方のリンク１０ａに対して、軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚが均衡に配置されていることから、３自由度能動回転関節の重量バランスが安定し、リンクの動特性を向上させることができる。
また、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは回転球２０に結合されておらず、ベース体２４０に均衡して支持されている。したがって、回転球２０を軽量化することができると共に重心が３自由度能動回転関節の下方に位置するので、リンクの動特性を向上させることができる。
また、回転型モータの出力軸が特殊な中空軸を用いなくてもよいので、小型で軽量な回転型モータを用いることができ、３自由度能動回転関節を小型で軽量に構成でき、一方のリンク１０ａの動特性を向上させることができる。
【００４９】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。本発明でいう回転体として回転球２０を用い、回転球受け３０で回転可能に支持するようにしたが、回転球２０は出力軸または軸体によって支えられることから、運動学的原理からみれば、回転体を球形状以外（例えば六面体）としたり、回転体を回転球受け３０で回転可能に支持したりする必要はない。ただし、回転球２０を用い、回転球受け３０で支持した方が、高い剛性が得られるとともに、各部の組み付け誤差や寸法誤差等による影響を少なくして精密な運動を行わせることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ａ：リンク １０ｂ：リンク ２０：回転球（回転体） ３０、４０：回転球受け（回転体受） ３１、４１：受部材 ４２：接合面 ４３：凸部 ４４：凹部 １００ｘ、１００ｙ、１００ｚ：回転型モータ（回転アクチュエータ） １０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚ：出力軸 １１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚ：可動体 １１３ｘ、１１３ｙ、１１３ｚ：スライダー １１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚ：スライダー支持体 ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚ：回転型モータ（回転アクチュエータ） ２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚ：出力軸 ２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚ：可動体 ２１１ｘ、２１１ｙ、２１１ｚ：スライダー支持体 ２２０ｘ、２２０ｙ、２２０ｚ：スライダー ２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚ：軸体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動を可能とする３自由度能動回転関節に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、様々な分野、例えば医療分野にまでロボット技術が応用されている。ロボットでは、人間の手、足、頭等の機能に似た働きをさせる必要があり、３自由度能動回転可能な関節が要求される。
【０００３】
一般的に、物体が互いに直交する３軸まわりに同時に回転することができる場合、物体が回転３自由度を持つという。例えば、人間の首は前後及び左右への動き、左右への回転を行うことができ、３自由度を持つ。
【０００４】
２つのリンクを継ぐ関節によって、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動が可能となる場合、この関節を３自由度回転関節という。特に、アクチュエータで能動的に動作することのできるものを能動関節、駆動力を発生することのできないものを受動関節という。
【０００５】
従来、３自由度能動回転関節としては、本出願人が先に出願した特許文献１に開示された３自由度能動回転関節がある。この３自由度能動回転関節では、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の３つの中空軸回転型モータを備え、各中空軸回転型モータの出力軸が回転体に結合されている。また、各中空軸回転型モータは、各出力軸の軸線まわりの回転を規制すると共に、他の直交２軸まわりの回転を許容するように支持体によって支持されている。したがって、３つのうち１つの中空軸回転型モータを回転させることで、回転体は１つの中空軸回転型モータの出力軸を中心にして回転する。同様に、他の２つの中空軸回転型モータも回転させることで、２リンク間において３自由度方向に任意に回転相対運動させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４４０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された３自由度能動回転関節では、比較的大きくて重量がある中空軸回転型モータを用いていることから、３自由度能動回転関節自体が大型化してしまうと共にその重さによってリンクの動特性に影響を与えてしまうという問題がある。また、特許文献１に開示された３自由度能動回転関節では、一対のリンクのうち、一方のリンクがＺ軸用の中空軸回転型モータの後端から突出して出力軸に同軸上に固定されている。また、Ｘ軸用の中空軸回転型モータおよびＹ軸用の中空軸回転型モータは、回転体の側方に互いに直交して配置されている。したがって、回転体に対して各中空軸回転型モータが、偏って配置されているために、３自由度能動回転関節のリンクの動特性に影響を与えてしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、３自由度能動回転関節の小型化および軽量化を図ると共に回転アクチュエータをバランスよく配置することで、一対のリンク間の動特性を向上させる３自由度能動回転関節を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各出力軸から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする。
本発明は、一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＸ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＹ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＺ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各回転アクチュエータをバランスよく配置させたことで、一対のリンク間の動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図２】３自由度能動回転関節の一部分解斜視図である。
【図３】回転球受けの構成を示す図である。
【図４】回転球受けの断面図である。
【図５】他の回転球受けの構成を示す図である。
【図６】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図７】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図８】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図９】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１０】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図１２】ベース体の構成を示す図である。
【図１３】スライダー支持体の構成を示す図である。
【図１４】スライダー支持体の詳細を示す図である。
【図１５】スライダーと軸体との構成を示す図である。
【図１６】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１７】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【図１８】３自由度能動回転関節の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る３自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図１は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節の一部を分解した斜視図である。
図１および図２に示すように、３自由度能動回転関節は、一対のリンク１０ａ、１０ｂ間に設けられる。
３自由度能動回転関節は、回転球２０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚと、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚをそれぞれ支持する可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚと、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け３０と、可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚを支持するベース体１４０とを含んで構成されている。なお、図２では、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｙ、１００ｚおよび可動体１１０ｙ、１１０ｚは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘ、可動体１１０ｘと同様の構成であり、省略している。
【００１３】
Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚは、回転アクチュエータであって、それぞれの出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚがそれぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置された状態で回転球２０に結合されている。すなわち、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘを駆動すると対応する出力軸１０１ｘがＸ軸まわりに回転球２０を回転させる。また、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙを駆動すると対応する出力軸１０１ｙ（不図示）がＹ軸まわりに回転球２０を回転させる。また、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚを駆動すると対応する出力軸１０１ｚがＺ軸まわりに回転球２０を回転させる。
【００１４】
これらＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚには、例えば、減速歯車が組み合わされたギアードモータや、その回転角や回転速度を測定するエンコーダ等が一体で構成されている。本実施形態の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚは、中空軸等を用いることなく、小型で軽量な回転型モータを用いている。
【００１５】
回転球２０は、回転体であって、その中心が直交３軸の原点に一致するように配置されている。回転球２０には、出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚのそれぞれから等しい距離に、一方のリンク１０ａが接続されている。より具体的には、回転球２０と出力軸１０１ｘとの結合部、回転球２０と出力軸１０１ｙとの結合部および回転球２０と出力軸１０１ｚとの結合部のそれぞれから等しい距離にリンク１０ａが接続されている。
【００１６】
回転球受け３０は、回転体受であって、図２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈し、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する球面滑り軸受けとして機能する。ここで、回転球受け３０の構成について、図３、図４および図５を参照して説明する。
図３（ａ）は回転球受け３０を上方から見た斜視図であり、図３（ｂ）は回転球受け３０の分解斜視図である。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、回転球受け３０は、複数（３つ）の受部材３１が結合されて構成されている。受部材３１は、それぞれ同一形状であって、略ひし形を湾曲させた形状に形成されている。各受部材３１の外周面には、それぞれ円柱状の軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚ（不図示）が形成されている。軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚは、可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚの後述する各スライダー支持体１１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚの内側ベアリング１３１に嵌合する。回転球受け３０が回転球２０を支持している状態では、軸部３２ｘ、３２ｙ、３２ｚの突出方向は、それぞれＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に沿った方向となっている。また、各受部材３１には、隣接する受部材３１同士を結合するために、ボルトを締結するための締結孔３３が形成されている。
【００１７】
また、回転球受け３０は、回転球２０の下半球（下半分）を覆うことで回転球２０を回転自在に支持しているが、回転球２０の上半球（上半分）の少なくとも一部も覆っている。ここで、図３（ａ）に示すように、一つの受部材３１の頂部３４を通過するようなＩ−Ｉ線で鉛直方向に切断し、矢印方向から見た図４を参照して具体的に説明する。図４に示すように、受部材３１の頂部３４は、回転球２０の中心０を基準にして、鉛直下方向から９０度よりも大きい角度α（略１０８．５度）まで至っている。この断面図は、他の受部材３１の頂部３４を切断したときも同様である。したがって、回転球受け３０が回転球２０を支持したとき、回転球受け３０は各受部材３１の頂部３４によって回転球２０の上半球の一部を覆い、回転球２０を把持している。したがって、回転球２０が回転球受け３０から抜け出ることなく支持することができる。さらに、回転球２０の上半球は、一部のみしか覆われていないために、回転球２０から突出するリンク１０ａが可動するときに干渉することがなく、リンク１０ａの可動範囲を広くすることができる。本実施形態の回転球２０は、何れか一つの軸まわりに、例えば±３５度の範囲で回転できるように構成されている。
【００１８】
なお、受部材３１の構成は上述したものに限られず、例えば図５に示す受部材４１であってもよい。図５（ａ）は、回転球受け４０の斜視図であり、図５（ｂ）は、受部材４１の斜視図である。
回転受け４０は、それぞれ同一形状の複数（３つ）の受部材４１が結合されて構成されている。そして、受部材４１は、隣接する受部材４１同士を結合するときに各受部材４１を容易に位置決めできるように、受部材４１の接合面４２に凹凸が形成されている。すなわち、図５（ｂ）に示すように、一つの受部材４１には２つの接合面４２があり、一方の接合面４２に凸部４３が形成され、他方の接合面４２に凹部４４が形成されている。この凸部４３は、凹部４４にちょうど嵌合する形状である。
また、隣接する他の受部材４１も、図５（ｂ）に示す受部材４１と同一形状であるため、受部材４１の凹部４４に、隣接する一方の受部材４１の凸部４３が嵌合し、受部材４１の凸部４３に、隣接する他方の受部材４１の凹部４４が嵌合する。すなわち、隣接する受部材４１同士の凹凸を合わせることで、受部材４１間に段差が生じないように、回転球受け４０を組み立てることができる。したがって、回転球受け４０は、回転球２０を円滑に回転させることができ、回転球２０の動特性を向上させることができる。
【００１９】
可動体１１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚは、それぞれＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚを支持すると共に、回転球受け３０を支持している。ここでは、図２、図６および図７を参照して、可動体１１０ｘについて説明する。なお、可動体１１０ｙ、１１０ｚは、可動体１１０ｘと同一の構成であり、その説明は省略する。
図２に示すように、可動体１１０ｘは、回転型モータ１００ｘを支持するモータ受け１１１ｘと、モータ受け１１１ｘに一体で形成されたスライダー１１３ｘと、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持するスライダー支持体１１４ｘとを含んで構成されている。
【００２０】
モータ受け１１１ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘの出力軸１０１ｘが挿通される挿通孔１１２ｘが形成されている。モータ受け１１１ｘは、出力軸１０１ｘが回転球２０の中心を指向するようにＸ軸用の回転型モータ１００ｘを支持する。
スライダー１１３ｘは、回転球２０と同心円状でＹ軸を中心に湾曲した角柱状に形成されている。スライダー１１３ｘは、モータ受け１１１ｘの下部からスライダー支持体１１４ｘに向かって、一体で延出している。
スライダー支持体１１４ｘは、回転球２０と同心円状でＹ軸を中心に湾曲した中空角柱状に形成されていて、内部でスライダー１１３ｘを低摩擦で滑動させることができる。したがって、スライダー１１３ｘは、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｘ−Ｚ平面上でＹ軸回りに滑動する。
【００２１】
ここで、図６および図７を参照して、スライダー支持体１１４ｘについて説明する。図６（ａ）はスライダー支持体１１４ｘの斜視図であり、図６（ｂ）はスライダー支持体１１４ｘの分解斜視図である。また、図７（ａ）はスライダー支持体１１４ｘの一部を示す斜視図であり、図７（ｂ）はスライダー支持体１１４ｘの断面図である。各図では、図２に示すスライダー支持体１１４ｘを上下反転させて図示している。
スライダー支持体１１４ｘは、２つの側面部１１５ｘによって、その骨格が形成されている。図６（ｂ）および図７（ａ）に示すように、側面部１１５ｘ間には、複数（４つ）の回動軸１１６ｘが水平方向に懸架されている。各回動軸１１６ｘは、離間して配置された２つのコロ１１７ｘを回動自在に軸支している。
また、各側面部１１５ｘには、外側（図７（ａ）に示すＯＵＴ側）の回動軸１１６ｘと内側（図７（ａ）に示すＩＮ側）の回動軸１１６ｘとの間に、複数（２つ）の回動軸１１８ｘが略鉛直方向に懸架されている。各回動軸１１８ｘは、コロ１１９ｘを回動自在に軸支している。
【００２２】
スライダー支持体１１４ｘにスライダー１１３ｘを組み付けた状態で、スライダー１１３ｘの滑動方向から見ると、図７（ｂ）に示すように、スライダー１１３ｘの各側面にコロ１１７ｘ、１１９ｘが接触している。すなわち、外側（矢印ＯＵＴ方向側）に配設されているコロ１１７ｘと内側（矢印ＩＮ方向側）に配設されているコロ１１７ｘとの間には、スライダー１１３ｘの厚みｔと略同等の隙間が形成されている。また、右側（矢印Ｒ方向側）に配設されているコロ１１９ｘと左側（矢印Ｌ方向側）に配設されているコロ１１９ｘとの間には、スライダー１１３ｘの幅ｗと略同等の隙間が形成されている。
スライダー１１３ｘがスライダー支持体１１４ｘ内を滑動するときには、各コロ１１７ｘ、１１９ｘがスライダー１１３ｘの各側面を転動することで、スライダー１１３ｘはガタつきが発生せず低摩擦で滑動することができる。
【００２３】
また、図６に示すように、スライダー支持体１１４ｘには、外側ベアリング１３０を保持する外側ベアリング保持部１２１ｘと、内側ベアリング１３１を保持する内側ベアリング保持部１２３ｘとが設けられている。図６（ｂ）に示すように、外側ベアリング保持部１２１ｘは、左右に分割されて構成され、外側ベアリング１３０を左右から挟み込むことにより保持する。また、外側ベアリング保持部１２１ｘおよび側面部１１５ｘには、それぞれ図示しない固定ボルトが挿通される連通孔１２２ｘ、１２０ｘが形成されている。外側ベアリング保持部１２１ｘが左右の側面部１１５ｘによって挟み込まれた状態で、図示しない固定ボルトを用いて、各連通孔１２０ｘ、１２２ｘに挿通させて両側から固定する。すると、外側ベアリング１３０が外側ベアリング保持部１２１ｘに完全に保持される。なお、内側ベアリング保持部１２３ｘも同様の構成であり、その説明は省略する。
【００２４】
スライダー支持体１１４ｘが組み立てられた状態では、外側ベアリング１３０と内側ベアリング１３１との軸線は同一線上になっている。外側ベアリング１３０内には、ベース体１４０の後述するＺ軸と同軸の軸部１４１ｘが嵌合する。また、内側ベアリング１３１内には、上述した回転球受け３０のＺ軸と同軸の軸部３２ｘが嵌合する。
【００２５】
ベース体１４０は、図２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈している。ベース体１４０の下端には、鉛直下方向に沿って他方のリンク１０ｂが接続されている。また、ベース体１４０の上縁部には、各スライダー支持体１１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚの各外側ベアリング１３０に嵌合する円柱状の軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚが等間隔に離間して設けられている。回転球受け３０が回転球２０を支持している状態では、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚの突出方向は、それぞれＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に沿った方向となっている。すなわち、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚは、それぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されている。なお、軸部１４１ｘ、１４１ｙ、１４１ｚには、３自由度能動回転関節の加重を受けるために、ベース体１４０を湾曲させて剛性を向上させている。
【００２６】
上述したように構成された可動体１１０ｘによれば、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘを出力軸１０１ｘが回転球２０の原点を指向するように支持する。
また、可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持する。したがって、スライダー１１３ｘに間接的に結合されたＸ軸用の回転型モータ１００ｘおよび回転球２０は、スライダー１１３ｘの湾曲方向、すなわちＹ軸まわりの回転が許容される。
また、上述したように構成された可動体１１０ｘによれば、可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、回転球受け３０の軸部３２ｘとベース体１４０の軸部１４１ｘとの間で、内側ベアリング１３１と外側ベアリング１３０とによって、Ｚ軸まわりに回動できるように支持されている。したがって、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘおよび回転球２０は、Ｚ軸まわりの回転が許容される。
【００２７】
ここで、図８〜図１０を参照して、可動体１１０ｘの動作について具体的に説明する。図８〜図１０は、Ｙ軸方向から見た３自由度能動回転関節の図である。
まず、図８に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙが駆動して回転球２０を矢印Ａ方向に回転させると、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＺ軸用の回転型モータ１００ｚ（不図示）も同様に矢印Ａ方向に回転する。可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、スライダー１１３ｘを滑動可能に支持しているので、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘの回転と同期して、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘおよびスライダー１１３ｘが、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｙ軸まわりの矢印Ａ´方向に回転し、図９に示す状態となる。
ここで、図９に示すように、回転球２０に結合されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００２８】
次に、図９に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙが駆動して回転球２０を矢印Ｂ方向に回転させると、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＺ軸用の回転型モータ１００ｚ（不図示）も同様に矢印Ｂ方向に回転する。Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘのＹ軸まわりの回転と同期して、可動体１１０ｘのモータ受け１１１ｘおよびスライダー１１３ｘが、スライダー支持体１１４ｘに対して、Ｙ軸まわりの矢印Ｂ´方向に回転し、図１０に示す状態となる。
ここで、図１０に示すように、回転球２０に結合されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００２９】
次に、図８に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚが駆動して回転球２０をＺ軸まわりの何れか一方の方向に回転させると、回転球２０のＺ軸まわりの回転に伴って、Ｘ軸用の回転型モータ１００ｘおよびＹ軸用の回転型モータ１００ｙも同方向に回転する。可動体１１０ｘのスライダー支持体１１４ｘは、回転球受け３０の軸部３２ｘおよびベース体１４０の軸部１４１ｘに対して、内側ベアリング１３１および外側ベアリング１３０を介して、Ｚ軸まわりに回転が許容されている。したがって、回転型モータ１００ｘのＺ軸まわりの回転と同期して、可動体１１０ｘがＺ軸まわりに回転する。したがって、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００３０】
また、可動体１１０ｙ、１１０ｚも、可動体１１０ｘと同様に構成されている。したがって、可動体１１０ｙは、Ｙ軸用の回転型モータ１００ｙおよび回転球２０のＸ軸まわりの回転とＺ軸まわりの回転とを許容する。また、可動体１１０ｚは、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｚおよび回転球２０のＹ軸まわりとＸ軸まわりの回転とを許容する。
したがって、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚがそれぞれ駆動することにより、回転球２０がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸まわりに回転するので、回転球２０に接続されている一方のリンク１０ａは、他方のリンク１０ｂに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
【００３１】
特に、本実施形態の３自由度能動回転関節では、一方のリンク１０ａが回転球２０に対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚの各出力軸１０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚから略等しい距離に接続されている。すなわち、一方のリンク１０ａに対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ１００ｘ、１００ｙ、１００ｚが均衡に配置されていることから、３自由度能動回転関節の重量バランスが安定し、リンクの動特性を向上させることができる。また、回転型モータの出力軸が特殊な中空軸を用いなくてもよいので、小型で軽量な回転型モータを用いることができ、３自由度能動回転関節を小型で軽量に構成でき、リンクの動特性を向上させることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る３自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図１１は、本実施形態に係る３自由度能動回転関節を示す斜視図である。本実施形態の３自由度能動回転関節は、第１の実施形態と異なりＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータの配置を変更したものであり、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
図１１に示すように、３自由度能動回転関節は、一対のリンク１０ａ、１０ｂ間に設けられる。
３自由度能動回転関節は、回転球２０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚと、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚそれぞれの駆動により回転球２０を回転させる可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚと、回転球２０を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け３０と、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持するベース体２４０とを含んで構成されている。Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは第１の実施形態と同様の回転型モータが用いられている。なお、第１の実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態のＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは、出力軸がそれぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置された状態でベース体２４０に支持されている。
ベース体２４０は、図１２に示すように、回転球２０と同心球となる中空の球形状を呈している。ベース体２４０の下端には、鉛直下方向に沿って他方のリンク１０ｂが接続されている。また、ベース体２４０の上縁部には、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持するモータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚが等間隔に離間して設けられている。各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚには、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚの出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚ（図１２に示す二点鎖線を参照）が挿通される挿通孔２４２ｘ、２４２ｙ、２４２ｚが形成されている。各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚは、各出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚが回転球２０の中心を指向するようにＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚを支持する。なお、各モータ受け２４１ｘ、２４１ｙ、２４１ｚには、３自由度能動回転関節の加重を受けるために、ベース体２４０を湾曲させて剛性を向上させている。
【００３５】
可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚは、それぞれＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚの出力軸２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚに結合されている。したがって、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘを駆動すると対応する可動体２１０ｘがＸ軸まわりに回転する。また、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙを駆動すると対応する可動体２１０ｙがＹ軸まわりに回転する。また、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚを駆動すると対応する可動体２１０ｚがＺ軸まわりに回転する。
【００３６】
ここでは、図１１、図１３〜図１５を参照して、可動体２１０ｘについて説明する。なお、可動体２１０ｙ、２１０ｚは、可動体２１０ｘと同一の構成であり、その説明は省略する。図１１に示すように、可動体２１０ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘの出力軸２０１ｘと同期して回転するスライダー支持体２１１ｘと、スライダー支持体２１１ｘ内を滑動するスライダー２２０ｘと、スライダー２２０ｘと回転球２０との間を接続する軸体２３０ｘとを含んで構成されている。
【００３７】
スライダー支持体２１１ｘは、回転球２０と同心円状でＺ軸を中心に湾曲した中空角柱状に形成されていて、内部でスライダー２００ｘを低摩擦で滑動させることができる。
ここで、図１３および図１４を参照して、スライダー支持体２１１ｘについて説明する。図１３（ａ）はスライダー支持体２１１ｘを回転球２０の中心からＸ軸方向に見た図である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）を矢印Ｃ方向から見た図であり、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）を矢印Ｄ方向から見た図である。図１３（ｄ）は、図１３（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面斜視図である。
【００３８】
スライダー支持体２１１ｘは、２つの側面部２１２ｘにより、その骨格が形成されている。また、スライダー支持体２１１ｘは、第１の実施形態と同様、スライダー２２０ｘがガタつきが発生させずに低摩擦で滑動できるように、複数のコロがスライダー２２０ｘの各側面を転動可能に配設されている。
【００３９】
スライダー支持体２１１ｘの内側（図１３に示す矢印ＩＮ方向側）には、ベアリング保持部２１３ｘによりベアリング２５０が保持されている。ベアリング２５０には、第１の実施形態で説明した回転球受け３０の軸部３２ｘが嵌合する。また、スライダー支持体２１１ｘの外側（図１３に示す矢印ＯＵＴ方向側）には、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘの出力軸２０１ｘの回転を受ける回転受体２１４ｘが設けられている。
【００４０】
ここで、図１４を参照して、回転受体２１４ｘについて説明する。図１４（ａ）は回転受体２１４ｘとＸ軸用の回転型モータ２００ｘとを結合する前の状態を示す斜視図であり、図１４（ｂ）は、回転受体２１４ｘの分解斜視図である。
回転受体２１４ｘは、モータ連結部材２１５ｘと支持体連結部材２１６ｘとを含んで構成されている。モータ連結部材２１５ｘは、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘに対して出力軸２０１ｘの軸方向に沿って、図示しない複数の固定ボルトを用いて固定されることで、出力軸２０１ｘと同期して回転する。支持体連結部材２１６ｘは、図１４（ｂ）に示すように、モータ連結部材２１５ｘの回り止め突起２１７ｘを嵌合してから、出力軸２０１ｘの軸方向と直交する方向に図示しない複数の固定ボルトで固定することで、モータ連結部材２１５ｘと結合される。
支持体連結部材２１６ｘは、左右の側面部２１２ｘにより挟み込まれた状態で固定ボルトを用いて両側から固定される。したがって、スライダー支持体２１１ｘは、出力軸２０１ｘと同期して、Ｘ軸まわりに回転する。
【００４１】
スライダー２２０ｘは、回転球２０と同心円状でＺ軸を中心に湾曲した角柱状に形成されている。また、スライダー２２０ｘの先端では、軸体２３０ｘを回転球２０の中心に指向させるように支持している。
ここで、図１５を参照して、スライダー２２０ｘと軸体２３０ｘとについて説明する。スライダー２２０ｘの先端には、複数（２つ）のベアリング２５０が軸方向をＹ軸方向に沿うようにして、離間して保持されている。したがって、軸体２３０ｘは、ベアリング２５０によってＹ軸まわりに回転できる。また、軸体２３０ｘは、スライダー２２０ｘに支持される反対側が、回転球２０に結合される。
【００４２】
図１５に示すように、回転球２０には軸体２３０ｘの他に、可動体２１０ｙの軸体２３０ｙおよび可動体２１０ｚの軸体２３０ｚが結合されている。軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚは、それぞれ直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されている。また、回転球２０には、軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚのそれぞれから等しい距離に、一方のリンク１０ａが接続されている。より具体的には、回転球２０と軸体２３０ｘとの結合部、回転球２０と軸体２３０ｙとの結合部および回転球２０と軸体２３０ｚとの結合部のそれぞれから等しい距離にリンク１０ａが接続されている。
【００４３】
上述したように構成された可動体２１０ｘによれば、Ｘ軸用の回転型モータ２００ｘが駆動すると、スライダー支持体２１１ｘ、スライダー２２０ｘおよび軸体２３０ｘを介して、回転球２０をＸ軸まわりに回転させる。また、可動体２１０ｘのスライダー支持体２１１ｘは、スライダー２２０ｘを滑動可能に支持する。したがって、スライダー２２０ｘに間接的に結合された軸体２３０ｘおよび回転球２０は、スライダー２２０ｘの湾曲方向、すなわちＺ軸まわりの回転が許容される。
また、上述したように構成された可動体２１０ｘによれば、可動体２１０ｘのスライダー２２０ｘは、軸体２３０ｘをＹ軸まわりに回転できるように支持している。したがって、軸体２３０ｘおよび回転球２０は、Ｙ軸まわりの回転が許容される。
【００４４】
ここで、図１６〜図１８を参照して、可動体２１０ｘの動作について具体的に説明する。図１６〜図１８は、Ｚ軸方向から見た３自由度能動回転関節の図である。
まず、図１６に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚの駆動により軸体２３０ｚが回転球２０を矢印Ｅ方向に回転させると、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘも回転する。可動体２１０ｘのスライダー支持体２１１ｘは、スライダー２２０ｘを滑動可能に支持しているので、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘはスライダー支持体２１１ｘに対して、Ｚ軸まわりの矢印Ｅ´方向に回転し、図１７に示す状態となる。
ここで、図１７に示すように、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４５】
次に、図１７に示す状態から、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｚの駆動により軸体２３０ｚが回転球２０を矢印Ｆ方向に回転させると、軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘも回転する。軸体２３０ｘおよびスライダー２２０ｘは、スライダー支持体２１１ｘに対して、Ｚ軸まわりの矢印Ｆ´方向に回転し、図１８に示す状態となる。
ここで、図１８に示すように、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｚ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４６】
次に、図１６に示す状態から、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙの駆動により軸体２３０ｙが回転球２０をＹ軸まわりの何れか一方の方向に回転させると、回転球２０のＹ軸まわりの回転に伴って、可動体１１０ｘの軸体２３０ｘも同方向に回転する。軸体２３０ｘは、スライダー２２０ｘのベアリング２５０を介して、Ｙ軸まわりに回転が許容されている。したがって、Ｙ軸用の回転型モータ２００ｙのＹ軸まわりの回転と同期して、軸体２３０ｘがＹ軸まわりに回転する。したがって、回転球２０に接続されたリンク１０ａも同様に、Ｙ軸まわりに回転するので、２リンク間において回転相対運動が可能となる。
【００４７】
また、可動体２１０ｙ、２１０ｚも、可動体２１０ｘと同様に構成されている。したがって、可動体２１０ｙは、軸体２３０ｙおよび回転球２０のＸ軸まわりの回転とＺ軸まわりの回転とを許容する。また、可動体２１０ｚは、軸体２３０ｚおよび回転球２０のＹ軸まわりの回転とＸ軸まわりの回転とを許容する。
したがって、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚがそれぞれ駆動することにより、回転球２０がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸まわりに回転するので、回転球２０に接続されている一方のリンク１０ａは、他方のリンク１０ｂに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
【００４８】
特に、本実施形態の３自由度能動回転関節では、一方のリンク１０ａが回転球２０に対して、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚに結合された可動体２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚの各軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚから略等しい距離に接続されている。すなわち、一方のリンク１０ａに対して、軸体２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚが均衡に配置されていることから、３自由度能動回転関節の重量バランスが安定し、リンクの動特性を向上させることができる。
また、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転型モータ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚは回転球２０に結合されておらず、ベース体２４０に均衡して支持されている。したがって、回転球２０を軽量化することができると共に重心が３自由度能動回転関節の下方に位置するので、リンクの動特性を向上させることができる。
また、回転型モータの出力軸が特殊な中空軸を用いなくてもよいので、小型で軽量な回転型モータを用いることができ、３自由度能動回転関節を小型で軽量に構成でき、一方のリンク１０ａの動特性を向上させることができる。
【００４９】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。本発明でいう回転体として回転球２０を用い、回転球受け３０で回転可能に支持するようにしたが、回転球２０は出力軸または軸体によって支えられることから、運動学的原理からみれば、回転体を球形状以外（例えば六面体）としたり、回転体を回転球受け３０で回転可能に支持したりする必要はない。ただし、回転球２０を用い、回転球受け３０で支持した方が、高い剛性が得られるとともに、各部の組み付け誤差や寸法誤差等による影響を少なくして精密な運動を行わせることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ａ：リンク １０ｂ：リンク ２０：回転球（回転体） ３０、４０：回転球受け（回転体受） ３１、４１：受部材 ４２：接合面 ４３：凸部 ４４：凹部 １００ｘ、１００ｙ、１００ｚ：回転型モータ（回転アクチュエータ） １０１ｘ、１０１ｙ、１０１ｚ：出力軸 １１０ｘ、１１０ｙ、１１０ｚ：可動体 １１３ｘ、１１３ｙ、１１３ｚ：スライダー １１４ｘ、１１４ｙ、１１４ｚ：スライダー支持体 ２００ｘ、２００ｙ、２００ｚ：回転型モータ（回転アクチュエータ） ２０１ｘ、２０１ｙ、２０１ｚ：出力軸 ２１０ｘ、２１０ｙ、２１０ｚ：可動体 ２１１ｘ、２１１ｙ、２１１ｚ：スライダー支持体 ２２０ｘ、２２０ｙ、２２０ｚ：スライダー ２３０ｘ、２３０ｙ、２３０ｚ：軸体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、
前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各出力軸から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする３自由度能動回転関節。
【請求項２】
一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、
前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＸ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＹ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＺ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする３自由度能動回転関節。
【請求項３】
前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記受部材は、少なくとも前記回転体の上半分の一部を覆っていることを特徴とする請求項１または２に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項４】
前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記複数の受部材は、互いが接する接合面に凹凸が形成され、前記複数の受部材のそれぞれが同一形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項５】
前記可動体は、前記回転体と同心円状に湾曲したスライダーと、前記スライダーを滑動可能に支持するスライダー支持体とを備え、
前記スライダーが前記スライダー支持体を滑動することで、前記回転体の何れか１つの軸まわりの回転を許容することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項１】
一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、
前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各出力軸から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする３自由度能動回転関節。
【請求項２】
一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、
前記Ｘ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＸ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＹ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｙ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＹ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＺ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をＺ軸まわりに回転させると共に前記回転体のＸ軸およびＹ軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする３自由度能動回転関節。
【請求項３】
前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記受部材は、少なくとも前記回転体の上半分の一部を覆っていることを特徴とする請求項１または２に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項４】
前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記複数の受部材は、互いが接する接合面に凹凸が形成され、前記複数の受部材のそれぞれが同一形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項５】
前記可動体は、前記回転体と同心円状に湾曲したスライダーと、前記スライダーを滑動可能に支持するスライダー支持体とを備え、
前記スライダーが前記スライダー支持体を滑動することで、前記回転体の何れか１つの軸まわりの回転を許容することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の３自由度能動回転関節。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１７３１８７（Ｐ２０１１−１７３１８７Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３７５００（Ｐ２０１０−３７５００）
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（５０４２５８５２７）国立大学法人 鹿児島大学 (284)
【Ｆターム（参考）】
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