(57)【要約】【課題】  各自由度方向への一様な運動が可能であり、球関節に近いシンプルな構造を有する３自由度能動回転関節を提供する。【解決手段】  出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されたＸ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚと、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚの出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに結合する回転球１０と、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する支持体３０と、例えばＺ軸用モータ２０ｚに設けられ、その出力軸２１ｚとは逆向きに出力軸４１が指向する第４のモータ４０とを備え、一方のリンク５０ａを第４のモータ４０の出力軸４１に固定し、他方のリンク５０ｂを支持体３０に固定する。【選択図】  図１
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【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、
出力軸が直交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、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する支持体と、
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータのうちいずれか１つの回転アクチュエータに設けられ、その回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第４の回転アクチュエータとを備え、
前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第４の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定したことを特徴とする３自由度能動回転関節。
【請求項２】
前記回転体は回転球であることを特徴とする請求項１に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項３】
前記支持体は、前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する内層部と、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する外層部とを有することを特徴とする請求項２に記載の３自由度能動回転関節。
【請求項４】
前記支持体は、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方向への回動を許容するようにそれぞれ支持する可動体を含み、前記各可動体が前記他の直交２軸まわりのうち他方向へ移動可能となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の３自由度能動回転関節。
【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。例えば図１２に示すように、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】
３自由度回転関節としては、３自由度受動回転可能な球関節（特許文献１等を参照）や、３自由度能動回転可能なパラレルメカニズムがある。パラレルメカニズムとは、図１３に示すように、ベースから最終出力であるエンドプレートまでが複数のリンクで並列に連結されている機構をいい、例えばStewart Platform型（図１３（ａ））、Hexa型（図１３（ｂ））、直動固定型（図１３（ｃ））等が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２４０４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パラレルメカニズムでは、高い剛性が得られる等の利点もあるが、各自由度方向への一様な運動ができない、構造が複雑である等の点が指摘されている。
【０００８】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、各自由度方向への一様な運動が可能であり、球関節に近いシンプルな構造を有する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】
本発明による３自由度能動回転関節は、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、出力軸が直交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、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する支持体と、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータのうちいずれか１つの回転アクチュエータに設けられ、その回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第４の回転アクチュエータとを備え、前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第４の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定した点に特徴を有する。
また、本発明による３自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記回転体は回転球である点、さらには、前記支持体は、前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する内層部と、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する外層部を有する点にある。
また、本発明による３自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記支持体は、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方向への回動を許容するようにそれぞれ支持する可動体を含み、前記各可動体が前記他の直交２軸まわりのうち他方向へ移動可能となっている点にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第４の回転アクチュエータが設けられた回転アクチュエータの回転軸と第４の回転アクチュエータの回転軸との回転を同回転にし、他の２つの回転アクチュエータとの三者の間でそれぞれ独立的に回転させれば、各自由度方向への一様な運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の３自由度能動回転関節を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。また、図２は図１のｘ方向から見た図、図３は図１のｙ方向から見た図、図４は図１のｚ方向から見た図、図５は図２のV-V線に沿う一部断面図である。
【００１２】
本実施形態の３自由度能動回転関節は、一対のリンク５０ａ、５０ｂ間に設けられるものであって、回転球１０、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚ、支持体３０、第４のモータ４０等により構成される。
【００１３】
Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚは、図６に示すように、それらの出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置される。これらモータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚとしては、例えば減速歯車を一体に組み合わせたギアドモータとその回転角や回転速度を測定するエンコーダとが用いられる。なお、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚが本発明でいうＸ軸用の回転アクチュエータ、Ｙ軸用の回転アクチュエータ、Ｚ軸用の回転アクチュエータに相当するものである。
【００１４】
回転球１０は、図６に示すように、その中心が直交３軸の原点に一致するように配置される。図５に示すように、回転球１０には相互に直交配置された貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚが形成されており、各貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚの一端に拡径部１２ｘ、１２ｙ、１２ｚが形成される（なお、貫通穴１１ｙ及び拡径部１２ｙは図５に表れない）。
【００１５】
そして、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚのモータ本体２２ｘ、２２ｙ、２２ｚが拡径部１２ｘ、１２ｙ、１２ｚにそれぞれ相対回転可能に挿入されるとともに、出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが各貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚを介して回転球１０に結合する。この場合に、具体的には図示しないが、各出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに複数条のキー溝を切ったり、径方向にピンを突出させたりし、それらを貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚに係合させることにより、各出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚの回転力が回転体１０に伝えられるようにする。
【００１６】
支持体３０は、図１に示すように、回転球１０と同心球となる中空の球形状を呈する外層部３１と、同じく回転球１０と同心球となる中空の球形状を呈し、回転球１０を任意の方向に回転可能に支持する球面滑り軸受として機能する内層部３２とにより構成され、これら外層部３１及び内層部３２が対称的に配置された８本の連結部３３を介して一体化される。
【００１７】
外層部３１には、図２〜４に示すように、Ｘ軸用モータ２０ｘまわり、Ｙ軸用モータ２０ｙまわり、Ｚ軸用モータ２０ｚまわりにそれぞれ略四辺形の穴３４ｘ、３４ｙ、３４ｚが形成される。
【００１８】
この場合に、Ｘ軸用モータ２０ｘまわりの穴３４ｘではＺ軸を挟んで対向する２辺３５ｘ間の距離が一定に保たれるようになっている（図２を参照）。同様に、Ｙ軸用モータ２０ｙまわりの穴３４ｙではＸ軸を挟んで対向する２辺間３５ｙの距離が一定に保たれ（図３を参照）、Ｚ軸用モータ２０ｚまわりの穴３４ｚではＹ軸を挟んで対向する２辺３５ｚ間の距離が一定に保たれる（図４を参照）。すなわち、対向する２辺３５ｘ（３５ｙ、３５ｚ）が、地球でいう緯線に相当する関係を有するようになっている。
【００１９】
また、外層部３１は、Ｘ軸用モータ２０ｘのモータ本体２２ｘの後端を支持する可動体３６ｘと、Ｙ軸用モータ２０ｙのモータ本体２２ｙの後端を支持する可動体３６ｙと、Ｚ軸用モータ２０ｚのモータ本体２２ｚの後端を支持する可動体３６ｚとを含む。
【００２０】
Ｘ軸用モータ２０ｘを支持する可動体３６ｘに注目して説明すると、可動体３６ｘは、外層部３１と同じ曲率で両端部が下がるように湾曲する長板からなり、その長手方向に沿って長穴３７ｘが形成される。また、モータ本体２２ｘの後端面にはコロ３８が２つ配設され、これらコロ３８が横並びとなるように長穴３７ｘに組み入れられる。長穴３７ｘはコロ３８の直径と同程度の幅を有するものである。これにより、Ｘ軸用モータ２０ｘのモータ本体２２ｘが回転不能に支持されるとともに、Ｘ軸用モータ２０ｘがＺ軸まわりに回動するのが許容される。すなわち、可動体３６ｘは、Ｘ軸用モータ２０ｘを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうちＺ軸まわりへの回動を許容するように支持する。
【００２１】
このようにした可動体３６ｘは穴３４ｘの２辺３５ｘ間に配置され、これら２辺３５ｘに沿って移動可能となっている。具体的には図示しないが、例えば可動体３６ｘの両端にコロを設けるとともに、各辺３５ｘにコロを走行させるための溝を形成する等しておき、可動体３６ｘが２辺３５ｘを軌条として滑動するようにしておく。すなわち、可動体３６ｘ、換言すればＸ軸用モータ２０ｘが、他の直交２軸まわりのうちＹ軸まわりに移動するのが許容される。
【００２２】
なお、穴３４ｘの別の対向する２辺３９ｘに外層部３１の径方向に沿う角度を持たせておけば、エンド位置まで移動したときに可動体３６ｘの側面がちょうど面接触することになる。すなわち、対向する２辺３９ｘが、地球でいう経線に相当する関係を有するようになっている。
【００２３】
ここではＸ軸用モータ２０ｘを支持する可動体３６ｘに注目して説明したが、Ｙ軸用モータ２０ｙを支持する可動体３６ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚを支持する可動体３６ｚについても同様である。
【００２４】
つまり、支持体３０（の外層部３１）は、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりの回動を許容するように支持する。
【００２５】
第４のモータ４０は、図１に示すように、Ｚ軸用モータ２０ｚと直列的に配置され、Ｚ軸用モータ２０ｚのモータ本体２２ｚの後端に固定される。第４のモータ４０の出力軸４１は、Ｚ軸用モータ２０ｚの出力軸２１ｚと同軸上に位置するとともに、出力軸２１ｚとは逆向きに、換言すれば直交３軸の原点から離れるように指向する。この第４のモータ４０としては、例えば減速歯車を一体に組み合わせたギアドモータとその回転角や回転速度を測定するエンコーダとが用いられる。なお、第４のモータ４０が本発明でいう第４の回転アクチュエータに相当するものである。
【００２６】
図７には、Ｚ軸用モータ２０ｚと第４のモータ４０との連結例を示す。ここでは、Ｚ軸用モータ２０ｚのモータ本体２２ｚの後端を支持するカップ状の支持部６１と、第４のモータ４０のモータ本体４２の後端を支持するカップ状の支持部６２とが２本の支柱６３を介して連結する連結部材６０が用いられる。そして、２本の支柱６３をそれぞれ支軸としてコロ３８が設けられ、上述したように、これらコロ３８が横並びとなるように長穴３７ｚに組み入れられる。
【００２７】
以上述べた構成とされた３自由度能動回転関節において、一対のリンク５０ａ、５０ｂのうち、一方のリンク５０ａを第４のモータ４０の出力軸４１に固定し、他方のリンク５０ｂを支持体３０の外層部３１に固定する。
【００２８】
本実施形態の３自由度能動回転関節によれば、Ｚ軸用モータ２０ｚの出力軸２１ｚと第４のモータ４０の出力軸４１との回転を同回転にし、他の２つのモータ（Ｘ軸用モータ２０ｚ及びＹ軸用モータ２０ｙ）との三者の間でそれぞれ独立的に回転させれば、各自由度方向への一様な運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の３自由度能動回転関節を提供することができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、可動体３６ｘ、３６ｙ、３６ｚがＸ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚのモータ本体２２ｘ、２２ｙ、２２ｚの後端にそれぞれ位置するようにしたが、図８〜１０に示す第２の実施形態では、可動体３６ｘ、３６ｙ、３６ｚがモータ本体２２ｘ、２２ｙ、２２ｚの中間部分にそれぞれ位置するようにしている。なお、上記第１の実施形態で説明した構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
Ｘ軸用モータ２０ｘを支持する可動体３６ｘに注目して説明すると、可動体３６ｘは、外層部３１と同じ曲率で両端部が下がるように湾曲する長板からなり、その長手方向に沿って長穴３７ｘが形成される。第２の実施形態では、長穴３７ｘはモータ本体２２ｘを挿通することのできる幅を有する。
【００３１】
また、モータ本体２０ｘの後端にはカップ状部材７０が設けられ、そのカップ状部材７０の両側にブラケット７１が突設される。これらブラケット７１によりモータ本体２０ｘに沿って延びる一対の支軸７２が支持され、各支軸７２に支持されたコロ３８が可動体３６ｘの長穴３７ｘに組み入れられる。長穴３７ｘはコロ３８の直径と同程度の幅を有するものである。
【００３２】
ここではＸ軸用モータ２０ｘを支持する可動体３６ｘに注目して説明したが、Ｙ軸用モータ２０ｙを支持する可動体３６ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚを支持する可動体３６ｚについても同様である。
【００３３】
このようにした第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態に比べて、支持体３０の直径を短くすることができ、全体の小型化や軽量化を図ることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、支持体３０の外層部３１全体を球形状とし、外層部３１にリンク５０ｂを直接固定するようにしたが、図１１に示す第３の実施形態では、リンク５０ｂをプレート８０に固定するとともに、プレート８０上で支持体３０を支持するようにしている。なお、上記第１の実施形態で説明した構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
図１１に示すように、支持体３０が外層部３１及び内層部３２により構成される点は上記第１の実施形態と同様であるが、外層部３１を、穴３４ｘ、３４ｙ、３４ｚを形成する領域を残しつつ下部を切り取るような形態とし（図注点線部分）、外層部３１が半球に近い形状（半球より大きい）となるようにする。そして、プレート８０上に立設する３本の支柱８１により支持体３０の外層部３１の下端を支持する。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、上記各実施形態では、本発明でいう回転体として回転球１０を用い、支持体３０の内層部３２で回転可能に支持するようにしたが、回転球１０はＸ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚによっても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、回転体を支持体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１０を用い、支持体３０の内層部３２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。
【００３８】
また、上記実施形態では、支持体３０が肉薄の外層部３１及び肉薄の内層部３２により構成されるようにしたが、支持体３０が回転球１０と同心球となる中空の肉厚の球形状を呈するようにし、その内表面で回転球１０を回転可能に支持するようにしてもよい。ただし、支持体３０が肉薄の外層部３１及び肉薄の内層部３２により構成される方が、全体の軽量化を図ることができる。
【００３９】
また、上記実施形態では、Ｘ軸用モータ２０ｘ、Ｙ軸用モータ２０ｙ、Ｚ軸用モータ２０ｚをそれぞれ１つとし、回転球１０を所謂片持ちで支えるようにしたが、各モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚをそれぞれ一対にし、回転球１０を所謂両持ちで支えるようにしてもよい。この場合、一対のモータ間で回転を同期させる制御が必要となるが、１つのモータを使用するのに比べてより大きな回転力を得ることができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、Ｚ軸用モータ２０ｚと第４のモータ４０とを連結するようにしたが、モータ本体の両端から出力軸が突出するモータを用い、１つのモータでＺ軸用モータ２０ｚ及び第４のモータ４０の機能を発揮させるようにしてもよい。すなわち、本発明でいう第４の回転アクチュエータは、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと別体であってもよいし、一体化されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図２】図１のｘ方向から見た図である。
【図３】図１のｙ方向から見た図である。
【図４】図１のｚ方向から見た図である。
【図５】図２のV-V線に沿う一部断面図である。
【図６】回転球とＸ軸用モータ、Ｙ軸用モータ、Ｚ軸用モータとの関係を示す図である。
【図７】Ｚ軸用モータと第４のモータとの連結例を示す図であり、（ａ）が図２のVIIａ部の拡大図、（ｂ）が図５のVIIｂ部の拡大図である。
【図８】第２の実施形態の３自由度能動回転関節を説明するための図であり、図２に対応する図である。
【図９】第２の実施形態の３自由度能動回転関節を説明するための図であり、図３に対応する図である。
【図１０】第２の実施形態の３自由度能動回転関節を説明するための図であり、図４に対応する図である。
【図１１】第３の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図１２】人間の首が３自由度を持つことを説明するための図である。
【図１３】３自由度能動回転関節として知られているパラレルメカニズムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０                    回転球
２０ｘ                  Ｘ軸用モータ
２０ｙ                  Ｙ軸用モータ
２０ｚ                  Ｚ軸用モータ
２１ｘ、２１ｙ、２１ｚ  出力軸
２２ｘ、２２ｙ、２２ｚ  モータ本体
３０                    支持体
３１                    外層部
３２                    内層部
３４ｘ、３４ｙ、３４ｚ  穴
３６ｘ、３６ｙ、３６ｚ  可動体
４０                    第４のモータ
４１                    出力軸
４２                    モータ本体
５０ａ、５０ｂ          リンク
【図１】
2006226458.tif 000003
【図２】
2006226458.tif 000004
【図３】
2006226458.tif 000005
【図４】
2006226458.tif 000006
【図５】
2006226458.tif 000007
【図６】
2006226458.tif 000008
【図７】
2006226458.tif 000009
【図８】
2006226458.tif 000010
【図９】
2006226458.tif 000011
【図１０】
2006226458.tif 000012
【図１１】
2006226458.tif 000013
【図１２】
2006226458.tif 000014
【図１３】
2006226458.tif 000015