(57)【要約】  干渉駆動により２つのモータの出力を有効に利用して可搬重量を大きくするとともに小型軽量化することができる差動関節ユニットとそれを用いたロボットを提供する  対向する一組の傘歯車および出力傘歯車の全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造を備え、出力傘歯車を回転可能に支持する。波動減速機のウェーブジェネレータはアウターロータモータ回転子の同心円外側に固定し、傘歯車は出力であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインに固定する。モータ、傘歯車、波動減速機を中空として配線を通す。
2010101203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一組の傘歯車と、
前記対向する一組の傘歯車をそれぞれ独立して回転させるための一組のモータと、
前記対向する一組の傘歯車のそれぞれに噛み合って自転自在かつ前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持される出力傘歯車と、
前記出力傘歯車に固定された出力体と、からなる関節機構と、
前記関節機構全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造と、
前記カバー兼支持構造を前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持する揺動機構とからなる
ことを特徴とする、ロボットの関節ユニット。
【請求項２】
前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
前記支持円盤は円筒部の外面でベアリングを介して前記カバー兼支持構造を支持する
ことを特徴とする請求項１記載のロボットの関節ユニット。
【請求項３】
前記一組のモータのトルクをそれぞれ高める一組の波動減速機を備え、
前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、
前記波動減速機は、前記一組の波動減速機の入力であるウェーブジェネレータの内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、
前記ウェーブジェネレータは前記アウターロータモータの前記回転子の同心円外側に固定され、
前記対向する一組の傘歯車は、前記一組の波動減速機の出力体をなす前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインと一体に回転する部材に固定されている
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のロボットの関節ユニット。
【請求項４】
前記ウェーブジェネレータは磁石を備え、前記アウターロータモータの前記回転子を兼ねて構成されている
ことを特徴とする請求項３記載のロボットの関節ユニット。
【請求項５】
前記サーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する第２ベアリングは内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記第２ベアリングは前記アウターロータモータ回転子の同心円外側に配置される
ことを特徴とする請求項３又は４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項６】
前記一組の傘歯車は、それぞれ内部に前記モータを収納する中空部を有しており、前記アウターロータモータの同心円外側に配置される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項７】
前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
前記支持円盤は円筒部の端面で前記波動減速機の固定部であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する
ことを特徴とする請求項５又は６記載のロボットの関節ユニット。
【請求項８】
前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、
前記アウターロータモータの回転子を回転自在に支持する第３ベアリングを有し、前記第３ベアリングは、内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、当該ベアリングは前記アウターロータモータ固定子の同心円外側に配置される
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項９】
前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
前記支持円盤は前記円筒部の内面で前記第３ベアリングを介して前記アウターロータモータの回転子を支持する
ことを特徴とする請求項８記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１０】
前記出力傘歯車および前記出力体はいずれも内部に配線を挿通可能な中空部が形成されている
ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１１】
前記出力体は自身の回転軸の外側から出力体支持ベアリングによって回転自在に支持され、
前記出力体支持ベアリングと前記出力傘歯車との間にスリップリングを備えた
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１２】
前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータはいずれも内部に配線を挿通可能に中空部が形成されている
ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１３】
前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータの前記中空部に送風して前記一組のモータを冷却するための冷却ファンを備えた
ことを特徴とする請求項１２記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１４】
１つの空洞スペースを有する支持ベースと、前記一組のモータの内部にそれぞれ挿通されて左右に分かれた配線を前記支持ベースへ通すための一組の中空支持アームを備えた
ことを特徴とする請求項１２記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１５】
前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のモータをそれぞれ駆動するための電気回路を配置した
ことを特徴とする請求項１４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１６】
前記一組のモータの回転子位置をそれぞれ検出するための一組のエンコーダを備え、
前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のエンコーダの信号を処理して上位コントローラへ送信するエンコーダ回路を配置した
ことを特徴とする請求項１４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１７】
前記支持ベースの下面は穴があいており、配線を通している
ことを特徴とする請求項１４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１８】
前記支持ベースの下面と前記出力体の上面には、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ締結するためのねじ穴が設けられている
ことを特徴とする請求項１４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項１９】
前記支持ベースの下面と前記出力体の上面は、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ互いにかみ合わせて接続するための噛合部を備えている
ことを特徴とする請求項１４記載のロボットの関節ユニット。
【請求項２０】
前記一組のモータの各回転子は互いに共通するベアリングを介して支持されている
ことを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項２１】
一組の波動減速機の前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインが互いに共通するベアリングを介して支持されている
ことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニット。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニットと、
前記関節ユニットを床面またはロボット胴体部に固定するためのロボットベースと、を有している
ことを特徴とする、ロボット。
【請求項２３】
前記関節ユニットを３つ備え、
前記関節ユニットを３つ直列に配列し、前記関節ユニットの内の２つは一方の前記支持ベースと他方の前記出力体とが締結されるように配向し、
残る１つの前記関節ユニットは前記支持ベースが前記２つの関節ユニットのいずれかの前記支持ベースに締結される
ことを特徴とする、請求項２２記載のロボット。
【請求項２４】
一方の面を床面またはロボット胴体部に固定し他方の面を固定した面と垂直な軸周りに旋回させるためのモータを備えた旋回軸モータ付きロボットベースと、
前記関節ユニットを３つ備え、
前記３つのロボットの関節ユニットはいずれも前記支持ベースと前記出力体とが締結して直列に連結され、末端の前記関節ユニットの前記支持ベースを前記旋回軸モータ付きロボットベースに締結した
ことを特徴とする請求項２２記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型軽量で高出力なロボットの関節ユニットとそれを用いたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の多関節型ロボットは、１つの関節（可動部）に１つのアクチュエータ（モータ等）が割り当てられていて、ある関節が動作中で他の関節は止まっているといった場合、仕事をするのは主に動作中の関節に割り当てられたモータのみであり、止まっている方のモータは有効に利用されないという一般的な技術課題がある。
この一般的な技術課題を解決するために、差動機構を用いて、２つのモータ出力を積極的に干渉させ、２つの出力軸からそれぞれ最大で２倍の出力トルクを得られるように構成したロボットの関節機構が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１の技術では、モータ固定子を固定せず回転可能に支持し、固定子と回転子の両方にギヤを取付けて両方を出力として用いる。このようにすると、モータにトルクを発生したとき、固定子の負荷が大きければ回転子が回転し、回転子の負荷が大きければ固定子が回転することになる。このようなモータを２つ用いてそれらの固定子どうしと回転子どうしを歯車で干渉させる浮遊差動機構としている。回転した際に固定子コイルがねじられることを避けるため、スリップリングを用いる。あるいは、モータは固定とし、ギヤの通常固定される部分を回転可能にして干渉させるセミフロート差動機構も提案されている。
また、傘歯車による差動機構で傘歯車の内部にモータを配置して小型化しているものもある（特許文献２参照）。【０００３】
図７において、１０１乃至１０４は傘歯車であり、それぞれベアリングを介して十字軸１０５に取付けられ、差動機構を構成している。傘歯車１０３は、内側にマグネット１０７が固定されており、モータのアウターロータとしての役割を兼ねている。コイル１０９とステータ１０８はモータケース１１６に固定されており、傘歯車１０３を回転させるトルクを発生する。傘歯車１０１は傘歯車１０３と同じ構造になっている。傘歯車１０２は、傘歯車１０１と傘歯車１０３の回転量の平均によって十字軸１０５の横軸まわりに揺動し、差によって縦軸周りに回転する。傘歯車１０２には出力体１０６が固定されており、十字軸１０５の縦横２軸まわりの回転が出力される。
このように、従来の干渉駆動機構は、モータ固定子を回転可能に支持した浮遊差動機構とするか、十字軸を用いた傘歯車差動機構とするのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２８２９６６号公報（第７頁、図２）
【特許文献２】特開平６−１９７４９２号公報（第４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２のロボットの関節ユニットは、いずれもモータ固定子を回転可能に支持した浮遊差動機構となっていてモータ固定子を支持するベアリングや、モータ出力軸を干渉させるための平歯車や傘歯車や、その歯車のシャフトを支持するベアリングなどが必要であり、機構を簡単にすることができないので、小型軽量化することが困難である。
また、特許文献２の技術のように、十字軸を用いた傘歯車差動機構のような場合は、中央に十字軸があるため、２つのモータやギアを縦軸シャフトの幅以下には近づけられず、関節ユニットの小型化・軽量化に限界があるという課題があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、小型で軽量に形成されるとともに関節部の出力トルクを向上することができるようにしたロボットの関節ユニット及びロボット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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、対向する一組の傘歯車と、前記対向する一組の傘歯車をそれぞれ独立して回転させるための一組のモータと、前記対向する一組の傘歯車のそれぞれに噛み合って自転自在かつ前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持される出力傘歯車と、前記出力傘歯車に固定された出力体と、からなる関節機構と、前記関節機構全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造と、前記カバー兼支持構造を前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持する揺動機構とからなることを特徴としている。【０００７】
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は円筒部の外面でベアリングを介して前記カバー兼支持構造を支持することが好ましい（請求項２）。
また、サーキュラスプラインとフレクスプラインとを有し、前記一組のモータのトルクをそれぞれ高める一組の波動減速機を備え、前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、前記波動減速機は、前記一組の波動減速機の入力であるウェーブジェネレータの内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記ウェーブジェネレータは前記アウターロータモータの前記回転子の外側に固定され、前記対向する一組の傘歯車は、前記一組の波動減速機の出力体をなす前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインと一体に回転する部材に固定されていることが好ましい（請求項３）。【０００８】
また、前記ウェーブジェネレータは磁石を備え、前記アウターロータモータの前記回転子を兼ねて構成されていることが好ましい（請求項４）。
また、前記サーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する第２ベアリングは内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記第２ベアリングは前記アウターロータモータ回転子の同心円外側に配置されることが好ましい（請求項５）。
また、前記一組の傘歯車は、それぞれ内部に前記モータを収納する中空部を有しており、前記アウターロータモータの同心円外側に配置されることが好ましい（請求項６）。
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は円筒部の端面で前記波動減速機の固定部であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持することが好ましい（請求項７）。
また、前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、前記アウターロータモータの回転子を回転自在に支持する第３ベアリングを有し、前記第３ベアリングは、内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、当該ベアリングは前記アウターロータモータ固定子の同心円外側に配置されることが好ましい（請求項８）。【０００９】
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は前記円筒部の内面で前記第３ベアリングを介して前記アウターロータモータの回転子を支持することが好ましい（請求項９）。
また、前記出力傘歯車および前記出力体は（軸方向に）いずれも内部に配線を挿通可能な中空部が形成されていることが好ましい（請求項１０）。
また、前記出力体は自身の回転軸の外側から出力体支持ベアリングによって回転自在に支持され、前記出力体支持ベアリングと前記出力傘歯車との間にスリップリングを備えたことが好ましい（請求項１１）。
また、前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータはいずれも内部に配線を挿通可能に中空部が形成されていることが好ましい（請求項１２）。
また、前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータの前記中空部に送風して前記一組のモータを冷却するための冷却ファンを備えたことが好ましい（請求項１３）。
また、１つの空洞スペースを有する支持ベースと、前記一組のモータの内部にそれぞれ挿通されて左右に分かれた配線を前記支持ベースへ通すための一組の中空支持アームを備えたことが好ましい（請求項１４）。
また、前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のモータをそれぞれ駆動するための電気回路を配置したことが好ましい（請求項１５）。【００１０】
また、前記一組のモータの回転子位置をそれぞれ検出するための一組のエンコーダを備え、前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のエンコーダの信号を処理して上位コントローラへ送信するエンコーダ回路を配置したことが好ましい（請求項１６）。
また、前記支持ベースの下面は穴があいており、配線を通していることが好ましい（請求項１７）。
また、前記支持ベースの下面と前記出力体の上面には、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ締結するためのねじ穴が設けられていることが好ましい（請求項１８）。
また、前記支持ベースの下面と前記出力体の上面は、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ互いにかみ合わせて接続するための噛合部を備えていることが好ましい（請求項１９）。
また、前記一組のモータの各回転子は互いに共通するベアリングを介して支持されていることが好ましい（請求項２０）。【００１１】
また、一組の波動減速機の前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインが互いに共通するベアリングを介して支持されていることが好ましい（請求項２１）。
請求項２２記載の発明（ロボット）は、請求項１〜２１のいずれか１項に記載のロボットの関節ユニットと、前記関節ユニットを床面またはロボット胴体部に固定するためのロボットベースと、を有していることを特徴としている。
また、前記関節ユニットを３つ備え、前記関節ユニットを３つ直列に配列し、前記関節ユニットの内の２つは一方の前記支持ベースと他方の前記出力体とが締結されるように配向し、残る１つの前記関節ユニットは前記支持ベースが前記２つの関節ユニットのいずれかの前記支持ベースに締結されることが好ましい（請求項２３）。
また、一方の面を床面またはロボット胴体部に固定し他方の面を固定した面と垂直な軸周りに旋回させるためのモータを備えた旋回軸モータ付きロボットベースと、前記関節ユニットを３つ備え、前記３つのロボットの関節ユニットはいずれも前記支持ベースと前記出力体とが締結して直列に連結され、末端の前記関節ユニットの前記支持ベースを前記旋回軸モータ付きロボットベースに締結することが好ましい（請求項２４）。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によると、中央に十字軸などを配置することなく出力傘歯車を支持することができるため、ぎりぎりまでモータを近づけて小型化したり中央にエンコーダを配置したりすることができ、カバーが傘歯車軸の支持部材も兼ねているため小型軽量化できる。
なお、本願発明（請求項１及び２２）は、カバー兼支持構造により、関節ユニットの内部と外部とを覆っているため、内部からの潤滑油や金属摩耗粉の飛散や、外部から関節機構への接触や干渉を防止して、安全性で耐久性を確保することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、一組のモータの外側にベアリング等を配置することなくすぐ支持構造を配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する波動減速機をモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができ、ロボットの関節等に用いた際に腕が太くなりすぎたり関節が干渉することがなく、可動範囲を広くできる。
もちろん、減速機介して関節ユニットを動作するのでギア無しのダイレクトドライブと比較して十分なトルクを得ながらも省スペース化により小型化することができる。【００１３】
また、請求項４に記載の発明によると、部品点数を減らすことができるため、コストを低減することができ、小型化することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する波動減速機の支持ベアリングをモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する傘歯車をモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項７に記載の発明によると、波動減速機をモータの同心円外側に配置した際でも固定部となるフレクスプラインまたはサーキュラスプラインを容易に固定することができる。
また、請求項８乃至９に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置するモータ回転子の支持ベアリングをモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項１０に記載の発明によると、出力体の先に接続した機器の配線を出力体の回転軸付近に通すことができるため、関節を動かした際の配線の曲げやねじりが生じにくく、断線が生じにくくすることができ、配線を内部に収納できるため作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
つまり、外に引き出す場合と比較してロボットの作業領域にある障害物やアームの他のリンクと干渉しやすくなり、可動範囲が狭くなることを防止することができる。【００１４】
また、請求項１１に記載の発明によると、一組のモータや波動減速機をぎりぎりまで近づけた場合でも関節ユニットの内部に配線を通すことができるため、作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項１２に記載の発明によると、関節の回転軸付近に配線を通すことができるため、関節を動かした際の配線の曲げやねじりが生じにくく、断線が生じにくくすることができ、配線を内部に収納できるため作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項１３に記載の発明によると、固定子が中空であることを利用して効果的にモータを冷却することができる。
また、請求項１４に記載の発明によると、配線を支持構造でカバーすることができ、外部環境への衝突時などにも断線を防ぐことができ、作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項１５に記載の発明によると、２つのモータの駆動回路を１か所に集めて配置ことができ、電源回路を共通化するなどにより回路を小型省電力化することができ、コストを低減することができる。【００１５】
また、請求項１６に記載の発明によると、２つのエンコーダ回路を１か所に集めて配置ことができる。また、電源回路を共通化するなどにより回路を小型省電力化することができ、コストを低減することができる。
当然ながら、エンコーダによりモータの回転位置を検出するので、フィードバック制御によって精度のよい動作を行なうことができる。
また、請求項１７に記載の発明によると、支持ベースの先に接続した機器からの配線を関節ユニット内部に通したり、逆に関節ユニットからの配線を他の機器へ容易に渡すことができる。
また、請求項１８乃至１９に記載の発明によると、支持ベースと出力体を連結してマニピュレータを構成することができる。【００１６】
また、請求項２０に記載の発明によると、一組のモータを直近まで近づけて配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項２１に記載の発明によると、一組の波動減速機を直近まで近づけて配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項２３に記載の発明によると、差動関節ユニットを用いて小型軽量で可搬重量の大きい一般的な６自由度の構成のマニピュレータを構成することができる。
また、請求項２４に記載の発明によると、差動関節ユニットを用いて小型軽量で可搬重量の大きい一般的な７自由度の構成のマニピュレータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示す関節ユニットの断面図
【図２】本発明の第２実施例を示す関節ユニットの断面図（上半分）
【図３】本発明の第３実施例を示す関節ユニットの断面図（上半分）
【図４】第１乃至第３実施例の外観を示す関節ユニットの外観図
【図５】第４実施例の外観を示す７自由度ロボットアームの外観図
【図６】第５実施例の外観を示す６自由度ロボットアームの外観図
【図７】従来の差動歯車機構の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例について説明する。図４は本実施形態にかかる関節ユニット３６の外観図である。支持円盤６ｂを中心としてカバー兼支持構造１０が横軸Ａ１周りに回転し、出力体９は縦軸Ａ２周りに回転する。
図１は、本発明の差動関節ユニットの断面図である。図において、傘歯車（出力傘歯車）１ａは出力体９と一体に回転し、縦軸Ａ２に対して対称に設けられた一対の傘歯車である傘歯車１ｂ（一組の傘歯車）は、後述する一対のモータ（アウターロータモータ）３の回転によりそれぞれ個別に駆動される（軸Ａ１と平行な回転軸）。
支持円盤６ｂには、関節ユニット３６の外郭の一部を形成するとともに、一対のモータ３を挟みこむように配置されて円板状の部位から横軸Ａ１方向（且つ関節ユニット３６の内側方向）に円筒状に延びる円筒部６ｅが形成されている。この円筒部６ｅは、後述するベアリング１３及びベアリング１５と接触するようになっている。【００２０】
一組の傘歯車１ｂ、１ｂと一組のモータ３、３と出力傘歯車１ａと出力体９とで、関節動作を行なうための関節機構が形成されている。
なお、モータ３及び傘歯車１ｂは、縦軸Ａ２に対して左右対称にそれぞれ同様に構成された一組のモータ３と傘歯車１ｂとが設けられている。
各アウターロータモータ３はそれぞれ対応する傘歯車１ｂを独立して駆動可能に接続されており、傘歯車１ａと一組の傘歯車１ｂとを併せて差動機構１が形成されている。即ち、対をなす傘歯車１ｂの回転差によって出力体９が回転軸Ａ２周りに回転する。
２ａはサーキュラスプライン、２ｂはフレクスプライン、２ｃはウェーブジェネレータであり、これらによって波動減速機２が形成されている。
３ａはモータ回転子コア、３ｂはモータ磁石、３ｃはモータコイルであり、これらによってアウターロータモータ３が構成されている。モータコイル３ｃは円筒形の中空シャフト６ａの外周に固定されている。モータ磁石３ｂはモータ回転子コア３ａとともに回転子を構成し、モータコイル３ｃとの間にトルクを発生して回転する。モータ回転子コア３ａはベアリング１２および１３を介して横軸Ａ１周りに回転可能に支持されている。モータ回転子コア３ａはウェーブジェネレータ２ｃと固定されており、ウェーブジェネレータ２ｃを回転させる。【００２１】
なお、モータ回転子コア３ａとウェーブジェネレータ２ｃはもともと一体構造として製作してもよい。このようにすればより小型化することもできる。換言すると、ウェーブジェネレータ２ｃにモータ磁石３ｂを直接接着またはねじ止め固定してもよい。
ウェーブジェネレータ２ｃの回転は減速されてサーキュラスプライン２ａに伝わる。４は回転中空円筒であり、モータ回転子コア３ａの外周にベアリング１１ａおよび１１ｂを介してモータ軸の同心円外側に回転可能に固定されている。
サーキュラスプライン２ａおよび傘歯車１ｂは回転中空円筒４に固定されており、減速された速度で回転する。【００２２】
本実施例では、フレクスプライン２ｂを支持円盤６ｂに固定しており、サーキュラスプライン２ａを出力として用いるが、波動減速機全体を左右反転させてサーキュラスプライン２ａを支持円盤６ｂに固定し、フレクスプライン２ｂを出力として用いる構造としても良い。【００２３】
このような構造の差動関節ユニットにより、出力体９の先に取付けた搬送物を横軸および縦軸周りに回転させることができる。この２つの出力軸は、干渉駆動機構となるように構成されているため、最大でモータ単体の出力の２倍の出力をそれぞれの軸で発生させることができる。中空シャフト６ａは支持円盤６ｂに固定されており、支持円盤６ｂは中空支持アーム６ｃを介して支持ベース６ｄにつながっている。
エンコーダ固定部５ｂはモータ回転子３ａの外側に固定されており、エンコーダ回転部５ａの目盛りを読みとる。
中空シャフト６ａから支持ベース６ｄへ至る支持構造は中空でつながっており、内部に配線を通すことが可能になっている。配線は、図示した差動関節ユニットのモータコイル３ｃへ電力を供給するモータ電力線８ｃと、図示した差動関節ユニットのエンコーダ固定部５ｂからの信号をコントローラへ渡すためのエンコーダ信号線８ｂなどがある。また、出力体９の先に接続された他の差動関節ユニットなどの機器からの配線である他機器配線８ａも含む。他機器配線８ａは、出力体９の中空部分、および中央固定円盤６ｅの上部に空けられた穴を通して中空シャフト６ａの中に通す。縦横の回転軸の近くに配線を通すことができるため、関節を動作させた場合に配線のたるみや引っ張りが生じにくく、繰り返し動作時の耐久性を向上できる。【００２４】
本発明の第１実施例にかかるロボット及びその関節ユニットはこのように構成されているので、通常、モータの軸方向にモータと別体に配置される波動減速機をアウターロータモータの同心円外側に配置することで、関節ユニットをモータ軸Ａ１方向に小型化することができる。
傘歯車１ｂおよびそれと対称な位置にある図示しない傘歯車とが同じ方向に同じ速度で回転している場合、傘歯車１ａは縦軸Ａ２周りには回転せず、ベアリング１５を介して支持されているカバー兼支持構造１０および出力体９と一体となって横軸Ａ１周りに回転する。傘歯車１ｂおよびそれと対称な位置にある図示しない傘歯車との回転速度に差がある場合、その差の分だけ傘歯車１ａは縦軸Ａ２周りに回転する。【００２５】
図１では、横軸Ａ１周りの回転を伝える際、傘歯車１ａの歯で全てのトルクを支えることになるが、傘歯車１ａと対称な下側、または傘歯車１ａの円周上の複数箇所にフリーで回転する傘歯車を備え、複数の歯車で分散して支えるようにしても良い。そうすると、傘歯車の歯の損傷を減らすことができる。また、歯車のモジュール（寸法）を小さくしてバックラッシを減らすこともできる。
また、一般に波動減速機はモータよりも扁平に作りやすいため、本実施例では傘歯車１ｂを波動減速機と軸方向に並べて配置しているが、ウェーブジェネレータ２ｃを軸方向にモータ３と並べて配置し、傘歯車１ｂを波動減速機のサーキュラスプライン２ａの同心円外側に配置しても良い。その場合、モータはアウターロータモータ以外の方式で構成してもよい。【００２６】
このように、本実施例にかかる関節ユニットは、十字軸を用いずにカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造１０によって傘歯車１ａを支持し、波動減速機２の内部にモータ３が収納されるほど大きさの中空部を設け、アウターロータモータ３の同心円外側に波動減速機２が配置し、内部にモータが入るほど大きな穴の中空としてアウターロータモータ３の同心円外側に配置し、回転子を支持するベアリング１２および１３を内部にモータが入るほど大きな穴の中空としてアウターロータモータ固定子の同心円外側に配置し、出力体９および中空シャフト６ａを中空として配線を通し、中空シャフト６ａを固定としているので、通常のロボットの関節ユニットにおいてはモータ軸方向に配置される減速機や傘歯車を入れ子状に収納することができ、関節ユニットを小型化することができる。
また、一組のモータ３それぞれの駆動力を横軸Ａ１又は縦軸Ａ２に集中して作用させることができるので、関節ユニットのサイズに対する横軸Ａ１又は縦軸Ａ２の最大出力トルクを向上することができる。【００２７】
したがって、例えば特許文献２等の従来技術と比較して、中央の十字軸とモータ間のベアリングがないため、ぎりぎりまでモータを近づけて小型化できる。また、中央の十字軸とモータ間のベアリングがないため、そこにエンコーダを配置することもできる。また、シャフト（出力軸）を中空としているので、配線を中に通せる。（４）カバーが支持部材も兼ねているため小型軽量であるという利点がある。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例と上述の第１の実施例とは多くの共通点を有しており、本実施例において第１の実施例と同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図２は本発明の関節ユニットの別の実施例を示す断面図である。ここでは、支持アーム、支持ベース、出力体を除いては、横軸Ａ２に対して対称な構造であるので説明を容易とするため上半分のみ示している。また、図２では左右対称に配置される一対の部材についての符号が左右のいずれか１方のみ付けている。【００２９】
本実施例ではウェーブジェネレータ２ｃがモータ回転子３ａと一体になっている。２ｂはフレクスプラインであり、フランジ部が実施例１と異なり外へ開く形の波動減速機を用いている。２０はクロスローラベアリングであり、外側のリングはフレクスプライン２ｂを挟んで支持円盤６ｂに固定されている。内側のリングはサーキュラスプラインに固定されており、傘歯車１ｂと共に回転する。本実施例ではウェーブジェネレータ２ｃをアウターロータモータの同心円外側に配置し、傘歯車１ｂを波動減速機のサーキュラスプライン２ａのさらに同心円外側に配置している。
エンコーダ固定部５ｂはモータ回転子３ｂの外側に固定されたエンコーダ回転部５ａの目盛りを読みとる。
【実施例３】
【００３０】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例と上述の第１の実施例とは多くの共通点を有しており、本実施例において第１の実施例と同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図３に示すように、支持アーム、支持ベース、出力体を除き、ほぼ軸に対して対称な構造であるので上半分のみ示している。また、図３では左右対称に配置される一対の部材についての符号が左右のいずれか１方のみ付けている。
２１はローラベアリングであり、左右のモータ回転子コア２５ａおよび２５ｂを横軸周りに互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持している。
２２はローラベアリングであり、同様に左右の回転中空円筒２４ａおよび２４ｂを横軸周りに互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持している。【００３１】
本実施例では、２１および２２はローラベアリングとしているが、スラストベアリングや４点接触ベアリングなどを用いてもよく、互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持できる従来知られた構造とすればよい。
このような構造とすることにより、一組のモータ３を直近まで近づけて配置することができ、デッドスペースを無くすことができ、関節ユニット３６の小型化あるいは同じ関節ユニットの大きさでの出力トルク向上を図ることができる。
モータ軸方向をより小型化することができる。また、本実施例では、スリップリング２３を配置し、支持円盤６ｂに穴を空けて中空シャフト６ａの内部へ他機器配線８ａを挿通している。これにより、モータ３間の隙間を通すことなく他機器配線８ａを配設することができる。
【実施例４】
【００３２】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。本実施例は、第１〜３実施例において説明した関節ユニットを用いて構成した７自由度のロボット（ロボットアーム）について説明する。
図５に示すように、ロボットアーム５０は旋回軸モータ付きロボットベース３４、関節ユニットａ３１、関節ユニットｂ３２、関節ユニットｃ３３及びハンド３０により構成されている。
旋回軸モータ付きロボットベース３４は、ロボットアーム５０を固定面（例えば、工場等のフロア）５１に固定するとともに、ロボットアーム５０全体を鉛直方向軸周りに回転させるためのモータを備えたベース（基台）である。【００３３】
関節ユニットａ３１、関節ユニットｂ３２、関節ユニットｃ３３は、それぞれ直列に連結されている。３０はハンドであり、本ロボットアームによって位置および姿勢を制御され、搬送、組み立て、溶接等の仕事をする作業部である。
本実施例はこのような構成されているので、ロボットアーム５０を小型化（特に、細身化）しながらも最大出力を向上させた７自由度の垂直多関節ロボットを構成することができる。
【実施例５】
【００３４】
次に、本発明の第５の実施例について説明する。本実施例も第４実施例と同様第１〜３実施例において説明した関節ユニットをロボット（ロボットアーム）に適用したものである。
図６は、本発明の関節ユニットを用いて構成した６自由度ロボットアームの外観図である。
図６に示すように、ロボットアーム５２はロボットベース３７、関節ユニットａ３１、関節ユニットｂ３２、関節ユニットｃ３３及びハンド３０により構成されている。
ロボットベース３７は、ロボットアーム５０を固定面（例えば、工場等のフロア）５１に固定する台座である。【００３５】
本実施例では、関節ユニットｃ３３の方向が第４実施例とは逆向きとなっている。即ち、関節ユニットａ３１の支持ベース６ｄと関節ユニットｂ３２の出力体９とが連結され、関節ユニットｂ３２の支持ベース６ｄと関節ユニットｃ３３の支持ベース６ｄと連結されており、関節ユニットｃ３３の出力体９がロボットベース３７に固定されている。
本実施例はこのような構成されているので、ロボットアーム５０を小型化（特に、細身化）しながらも最大出力を向上させた６自由度の垂直多関節ロボットを構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
関節をユニット化することによって小型軽量の２自由度駆動機構を構成することができるので、車輪や脚によって移動するペットロボット、ヒューマノイドロボットなどの家庭用ロボット、サービスロボット、エンターテイメントロボットの他、工作機械、建設機械、カメラやレーザーミラーなどの測定機器の角度姿勢制御装置などの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１ａ  傘歯車
１ｂ  傘歯車
２ａ  サーキュラスプライン
２ｂ  フレクスプライン
２ｃ  ウェーブジェネレータ
３ａ  モータ回転子コア
３ｂ  モータ磁石
３ｃ  モータコイル
４    回転中空円筒
５ａ  エンコーダ回転部
５ｂ  エンコーダ固定部
６ａ  中空シャフト
６ｂ  支持円盤
６ｃ  中空支持アーム
６ｄ  支持ベース
６ｅ  中央固定円盤
６ｆ  円筒部
８ａ  他機器配線
８ｂ  エンコーダ信号線
８ｃ  モータ電力線
９  出力体
１０  カバー兼支持構造
１１ａ  ベアリング
１１ｂ  ベアリング
１２    ベアリング
１３    ベアリング
１４    出力体支持ベアリング
１５    ベアリング
２０    クロスローラベアリング
２１    ローラベアリング
２２    ローラベアリング
２３    スリップリング
２４ａ  回転中空円筒
２４ｂ  回転中空円筒
２５ａ  モータ回転子コア
２５ｂ  モータ回転子コア
３０  ハンド
３１  関節ユニットａ
３２  関節ユニットｂ
３３  関節ユニットｃ
３４  旋回軸モータ付きロボットベース
３５  ロボットベース
３６  関節ユニット
３７  ロボットベース
５０  ロボットアーム
５１  固定面
５２  ロボットアーム
１０１  傘歯車
１０２  傘歯車
１０３  傘歯車
１０４  傘歯車
１０５  十字軸
１０６  出力体
１０７  マグネット
１０８  ステータ
１０９  コイル
１１６  モータケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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