(57)【要約】【課題】伝達トルクを大きくできるヒューマノイドロボットの関節機構を提供する。【解決手段】関節機構Ｙ１は、第１の部材１００と、第１部位２１０および第２部位２２０を有する第２の部材２００と、第１偏心部１０ａが形成されたクランク軸１０と、第１挿入孔１４ｂおよび第１外歯１４ａを有する第１揺動歯車１４と、クランク軸１０を保持するキャリア４と、内歯ピン３を有する外筒２と、を有し、第１揺動歯車１４の揺動によってキャリア４と外筒２とが同心状に変位するよう構成される歯車装置３００と、外筒２と第１の部材１００とを固定する第１固定部材３０と、キャリア４と第２の部材２００とを固定する第２固定部材４０と、を備え、第２固定部材４０は、第１部位２１０とキャリア４とを固定する一方側固定部４０ａと、第２部位２２０とキャリア４とを固定する他方側固定部４０ｂと、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒューマノイドロボットの関節機構であって、
前記ヒューマノイドロボットの第１部分を構成する第１の部材と、
前記ヒューマノイドロボットの第２部分を構成するとともに互いに対向する第１部位および第２部位を有する第２の部材と、
前記第１部位と前記第２部位との間に配置されるとともに、偏心部が形成されたクランク軸と、前記偏心部が挿入される挿入孔および複数の外歯を有する揺動歯車と、前記クランク軸を回動可能に保持するキャリアと、前記キャリアの径方向の外側に配置されるとともに前記揺動歯車の前記各外歯に噛み合う複数の内歯を有する外筒と、を有し、前記クランク軸の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって前記キャリアと前記外筒とが同心状に相対的に変位するよう構成される歯車装置と、
前記外筒と前記第１の部材とを固定する第１固定部材と、
前記キャリアと前記第２の部材とを固定する第２固定部材と、を備え、
前記第２固定部材は、前記第２の部材の前記第１部位と前記キャリアとを固定する一方側固定部と、前記第２の部材の前記第２部位と前記キャリアとを固定する他方側固定部と、を有するヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項２】
前記揺動歯車は当該揺動歯車の軸方向に貫通する貫通孔を有し、
前記キャリアは、前記第１部位に対向する基板と、前記第２部位に対向するとともに前記揺動歯車を挟んで前記基板の反対側に位置する端板と、前記貫通孔に比して小さい径を有するとともに当該貫通孔を通じて前記基板と前記端板とを接続するシャフトと、を有し、
前記基板、前記端板、および前記シャフトは、互いに独立した部材で構成される、請求項１に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項３】
前記一方側固定部は、前記基板と前記シャフトとを固定し、
前記他方側固定部は、前記端板と前記シャフトとを固定する、請求項２に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項４】
前記基板および端板は、前記シャフトに比して密度の小さい材料で形成される、請求項２または３に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項５】
前記キャリアと前記第１部位との間の隙間および前記キャリアと前記第２部位との間の隙間の少なくとも一方に設けられ、当該隙間を埋める板状部材をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項６】
前記第１部位および前記第２部位は、当該第１部位と当該第２部位との間への前記歯車装置の挿入を案内するとともに所定位置において前記挿入を停止させる案内部を有し、
前記第２固定部材は、前記所定位置にて前記キャリアと前記第２の部材とを固定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【請求項７】
前記第２の部材に取り付けられており、前記クランク軸に対して当該クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータをさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒューマノイドロボットの関節機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、減速機を介して第１の部材と第２の部材との相対的な回動を可能としたヒューマノイドロボットの関節機構が知られている。特許文献１には、胴体上半部と胴体下半部とが減速機としての波動歯車装置であるハーモニックドライブ（登録商標）を介して接続された関節機構が記載されている。この関節機構では、波動歯車装置が固定側歯車としての環状内歯歯車と当該環状内歯歯車に噛み合いつつ回転する出力側歯車としての弾性外歯歯車とを有し、胴体下半部の上部軸部が環状内歯歯車に固定されるとともに、胴体上半部の胴体外殻が弾性外歯歯車に固定されることで、胴体上半部と胴体下半部とが相対的に回動可能な状態にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６１４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ヒューマノイドロボットの関節機構において、減速機から第１の部材または第２の部材に対して伝達されるトルクを大きくしたいという要望がある。しかしながら、特許文献１に記載された関節機構では、減速機として高負荷に耐え難い波動歯車装置を採用しており、当該波動歯車装置の出力側歯車が弾性外歯歯車であることから、弾性外歯歯車と胴体上半部の胴体外殻との固定箇所が制限され、波動歯車装置から胴体上半部への伝達トルクを大きくすることが困難である。
【０００５】
本発明は、上記の観点からなされてものであり、その目的は、伝達トルクを大きくすることができるヒューマノイドロボットの関節機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ヒューマノイドロボットの関節機構であって、前記ヒューマノイドロボットの第１部分を構成する第１の部材と、前記ヒューマノイドロボットの第２部分を構成するとともに互いに対向する第１部位および第２部位を有する第２の部材と、前記第１部位と前記第２部位との間に配置されるとともに、偏心部が形成されたクランク軸と、前記偏心部が挿入される挿入孔および複数の外歯を有する揺動歯車と、前記クランク軸を回動可能に保持するキャリアと、前記キャリアの径方向の外側に配置されるとともに前記揺動歯車の前記各外歯に噛み合う複数の内歯を有する外筒と、を有し、前記クランク軸の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって前記キャリアと前記外筒とが同心状に相対的に変位するよう構成される歯車装置と、前記外筒と前記第１の部材とを固定する第１固定部材と、前記キャリアと前記第２の部材とを固定する第２固定部材と、を備え、前記第２固定部材は、前記第２の部材の前記第１部位と前記キャリアとを固定する一方側固定部と、前記第２の部材の前記第２部位と前記キャリアとを固定する他方側固定部と、を有する。
【０００７】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、第２の部材において第１部位と第２部位とが互いに対向しており、当該第１部位と第２部位との間に歯車装置が配置される。そして、一方側固定部によって第１部位と歯車装置のキャリアとが固定されるとともに、他方側固定部によって第２部位と歯車装置のキャリアとが固定される。すなわち、歯車装置のキャリアは、軸方向の両側において第２の部材に固定される。このため、キャリアの回転によって第２の部材に伝達されるトルクを大きくすることができる。さらに、上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、減速機としてクランク軸の回転に伴う揺動歯車の揺動によってキャリアと外筒とが同心状に相対的に変位するように構成された歯車装置を採用している。この歯車装置は、引用文献１における波動歯車装置に比して高負荷に強い装置であることから、当該高負荷による歯飛びあるいは座屈等によって前記伝達トルクが小さくなることを抑止できる。
【０００８】
また、前記揺動歯車は、当該揺動歯車の軸方向に貫通する貫通孔を有し、前記キャリアは、前記第１部位に対向する基板と、前記第２部位に対向するとともに前記揺動歯車を挟んで前記基板の反対側に位置する端板と、前記貫通孔に比して小さい径を有するとともに当該貫通孔を通じて前記基板と前記端板とを接続するシャフトと、を有し、前記基板、前記端板、および前記シャフトは、互いに独立した部材で構成されることが好ましい。
【０００９】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、揺動歯車の貫通孔にシャフトを挿入した上で当該揺動歯車を挟むように基板と端板とを配置し、この状態においてシャフトと基板および端板とを接続することによって、当該関節機構を容易に組み立てることができる。また、このような構成を採用することで、シャフトを基板および端板と異なる素材にて形成することができる。このため、例えば、高負荷がかかりやすいシャフトを剛性の高い素材にて形成しつつ、基板および端板を比較的軽量な素材にて形成することができる。これにより、耐久力が高く且つ軽量なキャリアを形成することができる。
【００１０】
また、前記一方側固定部は、前記基板と前記シャフトとを固定し、前記他方側固定部は、前記端板と前記シャフトとを固定することが好ましい。
【００１１】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、一方側固定部によって、第２の部材と第１部位とキャリアとを固定するとともに、基板とシャフトとを固定することもできる。また、他方側固定部によって、第２の部材と第２部位とキャリアとを固定するとともに、端板とシャフトとを固定することもできる。このため、上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、部品点数あるいは作業工程を増やすことなくシャフトと基板および端板とを接続することができる。
【００１２】
また、前記基板および端板は、前記シャフトに比して密度の小さい材料で形成されることが好ましい。
【００１３】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、基板および端板がシャフトに比して密度の小さい軽量材料で形成されるため、シャフトの剛性を維持しつつキャリア全体の軽量化を達成することができる。
【００１４】
また、前記キャリアと前記第１部位との間の隙間および前記キャリアと前記第２部位との間の隙間の少なくとも一方に設けられ、当該隙間を埋める板状部材をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、第２の部材における第１部位と第２部位との間隔に比してキャリアの軸方向における長さが小さい場合であっても、前記軸方向において第１部位および第２部位の少なくとも一方とキャリアとの間に生じた隙間を板状部材によって埋めることができる。このため、歯車装置のサイズに応じて第１部位と第２部位との間隔を調整する必要がなく、これにより関節機構の組み立て作業効率が向上する。
【００１６】
また、前記第１部位および前記第２部位は、当該第１部位と当該第２部位との間への前記歯車装置の挿入を案内するとともに所定位置において前記挿入を停止させる案内部を有し、前記第２固定部材は、前記所定位置にて前記キャリアと前記第２の部材とを固定することが好ましい。
【００１７】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、第１部位および第２部位に歯車装置の挿入を案内する案内部が設けられており、当該案内部によって歯車装置がキャリアと第２の部材とが固定される所定位置にて停止される。このため、第２固定部材を介してキャリアと第２の部材とを固定するに際して、当該キャリアと第２の部材との相対的な位置決めを確実に行うことができ、これにより関節機構の組み立て作業効率が向上する。
【００１８】
また、前記第２の部材に取り付けられており、前記クランク軸に対して当該クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータをさらに備えることが好ましい。
【００１９】
上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータが第２の部材に取り付けられる。これにより、関節機構全体として、ヒューマノイドロボットの一部分を構成する第１の部材および第２の部材と、当該第１の部材と第２の部材との相対的な回動を可能とする歯車装置と、歯車装置に対して駆動力を伝達するモータと、を備えたモジュールを構成することができる。このため、前記モジュールを単一のヒューマノイドロボットにおける比較的構造が近似した複数の関節部分に適用することにより、当該ヒューマノイドロボットの組み立て作業効率の向上あるいは部品点数の削減を達成することができる。なお、単一のヒューマノイドロボットにおける比較的構造が近似した関節部分とは、当該関節における軸の向きあるいは位置構成が近似した部分を指し、例えば一対の股関節、一対の膝関節、あるいは一対の肘関節のそれぞれに対して上記モジュールを適用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、伝達トルクを大きくすることができるヒューマノイドロボットの関節機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係るヒューマノイドロボットの概略構成を示す正面図である。
【図２】本実施形態に係る関節機構Ｙ１の要部を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）本実施形態に係る関節機構Ｙ１における第１部位２１０の内壁を示す概略正面図であって、キャリアが位置する領域を鎖線で示す図である。（ｂ）本実施形態に係る関節機構Ｙ１における第２部位２２０の内壁を示す概略正面図であって、キャリアが位置する領域を鎖線で示す図である。
【図４】本実施形態に係る関節機構Ｙ１の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。
【図５】本実施形態に係る関節機構Ｙ１の他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。
【図６】本実施形態に係る関節機構Ｙ１のさらに他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。
【図７】本実施形態に係る関節機構Ｙ１のさらに他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材を簡略化して示したものである。したがって、本発明に係るヒューマノイドロボットの関節機構は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係るヒューマノイドロボットＸ１は、複数の関節部分を有する人型ロボットである。ヒューマノイドロボットＸ１は、手から肘にかけての部分を構成する第１の部材１００と、肘から肩にかけての部分を構成する第２の部材２００と、肘部分を構成するとともに第１の部材１００と第２の部材２００との間の相対的な回動を実現する歯車装置３００と、を備えた関節機構Ｙ１を含んでいる。なお、本実施形態では、関節機構Ｙ１がヒューマノイドロボットＸ１の肘関節部分を構成する例について説明するが、これに限らず、関節機構Ｙ１がヒューマノイドロボットＸ１の他の関節部分を構成してもよい。また、本実施形態では、外観形状が完全に人型であるヒューマノイドロボットＸ１に対して関節機構Ｙ１を適用したが、これに限らず、人に似た外観形状を有する猿のようなヒューマノイドロボットにも適用され得る。
【００２４】
以下では、図２および図３を参照しつつ、関節機構Ｙ１が備える第１の部材１００、第２の部材２００、および歯車装置３００について詳細に説明する。
【００２５】
第１の部材１００は、本体部１２０および取付け部１１０を有している。本体部１２０は、ヒューマノイドロボットＸ１における手から肘にかけての部分を構成する主要部位である。取付け部１１０は、本体部１２０の先端から後述する第２の部材２００の第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に延びており、後述する歯車装置３００の外筒２に取り付けられる。
【００２６】
第２の部材２００は、本体部２５０、第１部位２１０、および第２部位２２０を有している。本体部２５０は、ヒューマノイドロボットＸ１における肘から肩にかけての部分を構成する主要部位である。第１部位２１０と第２部位２２０とは、本体部２５０の先端から第１の部材１００側へ延びており、互いに離間するように対向している。第１部位２１０は、第２部位２２０に対向する内壁に設けられた溝状の第１案内部２１０ａを有しており、第２部位２２０は、第１部位２１０に対向する内壁に設けられた溝状の第２案内部２２０ａを有している。歯車装置３００は、第１案内部２１０ａおよび第２案内部２２０ａに案内されるように所定の挿入方向にて第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に挿入される。また、第１案内部２１０ａおよび第２案内部２２０ａは、所定の位置において歯車装置３００の前記挿入を停止させる第１停止部２１０ｂおよび第２停止部２２０ｂを有している。第１停止部２１０ｂおよび第２停止部２２０ｂは、歯車装置３００のキャリア４の外縁に沿った形状を有しており、当該外縁が第１停止部２１０ｂおよび第２停止部２２０ｂに突き当たる位置にて歯車装置３００の前記挿入が停止される。なお、第１，第２案内部２１０ａ，２２０ａは、溝状に形成されていなくともよく、例えば第１，第２部位２１０，２２０のそれぞれの内壁にレール状に形成されてもよい。
【００２７】
歯車装置３００は、ヒューマノイドロボットＸ１の肘関節部分を構成する減速機として適用されるものである。この歯車装置３００は、例えば、８０〜２００の減速比を有している。歯車装置３００は、第２の部材２００の第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に配置されている。具体的には、歯車装置３００は、第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間において、後述するキャリア４が第１停止部２１０ｂおよび第２停止部２２０ｂに突き当たるように配置されている。
【００２８】
歯車装置３００は、センタークランク式の歯車装置であって、外部からの入力に応じて当該歯車装置３００の中央部分に位置するクランク軸１０を回転させ、クランク軸１０の偏心部１０ａ，１０ｂに連動して揺動歯車１４，１６を揺動回転させることにより、入力回転から減速した出力回転を得るように構成されている。これにより、第１の部材１００と第２の部材２００との間にて相対回転を生じさせることができる。
【００２９】
歯車装置３００は、外筒２と、キャリア４と、クランク軸１０と、第１揺動歯車１４と、第２揺動歯車１６と、を備えている。
【００３０】
外筒２は、歯車装置３００の外面を構成するものであり、略円筒形状を有している。外筒２の内周面には、多数のピン溝２ｂが形成されている。各ピン溝２ｂは、外筒２の軸方向に延びるように配置され、軸方向に直交する断面において半円形の断面形状を有している。これらのピン溝２ｂは、外筒２の内周面に周方向に等間隔で並んでいる。
【００３１】
外筒２は、多数の内歯ピン３を有している。各内歯ピン３は、ピン溝２ｂにそれぞれ取り付けられている。具体的に、各内歯ピン３は、対応するピン溝２ｂにそれぞれ嵌め込まれており、外筒２の軸方向に延びる姿勢で配置されている。これにより、多数の内歯ピン３は、外筒２の周方向に沿って等間隔で並んでいる。これらの内歯ピン３には、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａおよび第２揺動歯車１６の第２外歯１６ａが噛み合う。
【００３２】
外筒２は、外筒２の径方向の外側に延びたフランジ部を有している。フランジ部は、外筒２の軸方向において取付け部１１０と重なるように位置している。
【００３３】
外筒２のうち各内歯ピン３を除く主要部位は、当該各内歯ピン３に比して密度の小さい軽量材料からなる。本実施形態では、外筒２のうち各内歯ピン３を除く主要部位がアルミニウム材料から形成されており、各内歯ピン３が鉄材料から形成されている。
【００３４】
キャリア４は、外筒２と同軸上に配置された状態でその外筒２内に収容されている。キャリア４は、外筒２に対して同じ軸回りに相対回転する。具体的に、キャリア４は、外筒２の径方向内側に配置されており、この状態で、軸方向に互いに離間して設けられた一対の主軸受６ａ，６ｂによって外筒２に対して相対回転可能に支持されている。
【００３５】
キャリア４は、基板４ａと、複数のシャフト４ｃと、端板４ｂと、を備えている。基板４ａ、各シャフト４ｃ、および端板４ｂは、それぞれ独立した部材であって、後述する第２固定部材４０により固定されることでキャリア４が構成される。基板４ａおよび端板４ｂは、シャフト４ｃに比して密度の小さい軽量材料からなる。本実施形態では、基板４ａおよび端板４ｂがアルミニウム材料から形成されており、各シャフト４ｃが鉄材料から形成されている。なお、基板４ａ、各シャフト４ｃ、および端板４ｂは、それぞれ独立した部材でなくともよく、例えば基板４ａと各シャフト４ｃとが一体に形成されるとともに、当該形成体と端板４ｂとがそれぞれ独立した部材であってもよい。
【００３６】
基板４ａは、外筒２内において軸方向の第１部位２１０側に配置されている。この基板４ａの径方向中央部には円形の貫通孔４ｄが設けられている。基板４ａは、当該基板４ａの径方向において第１停止部２１０ｂに接しているとともに、当該基板４ａの軸方向において第１部位２１０の内壁に接している。
【００３７】
端板４ｂは、基板４ａに対して軸方向に離間して設けられており、外筒２内において軸方向の第２部位２２０側に配置されている。この端板４ｂの径方向中央部には円形の貫通孔４ｆが設けられている。端板４ｂは、当該端板４ｂの径方向において第２停止部２２０ｂに接しているとともに、当該端板４ｂの軸方向において第２部位２２０の内壁に接している。基板４ａと端板４ｂとは、後述する第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を挟んで互い対向している。
【００３８】
各シャフト４ｃは、基板４ａおよび端板４ｂの軸方向に沿って延びており、当該基板４ａと端板４ｂとを接続している。具体的には、各シャフト４ｃは、基板４ａと端板４ｂとの間の空間に位置しており、後述する第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６に設けられた第１貫通孔１４ｃおよび第２貫通孔１６ｃに挿入されている。そして、各シャフト４ｃの一端は、基板４ａのうち第１揺動歯車１４と対向する面に設けられた複数の凹部分に嵌め込まれており、各シャフト４ｃの他端は、端板４ｂのうち第２揺動歯車１６と対向する面に設けられた複数の凹部分に嵌め込まれている。各シャフト４ｃは、キャリア４の周方向に等間隔で配置されている。なお、シャフト４ｃの個数は、歯車装置３００の使用態様に応じて適宜変更することができる。
【００３９】
クランク軸１０は、歯車装置３００の中心部においてその軸心が外筒２及びキャリア４の軸心と一致するように配置されており、軸回りに回転する部材である。具体的には、歯車装置３００の中心部において、基板４ａの貫通孔４ｄ、端板４ｂの貫通孔４ｆ、後述する第１揺動歯車１４の第１挿入孔１４ｂ、および後述する第２揺動歯車１６の第２挿入孔１６ｂが互いに連通しており、これらの連通孔部分にクランク軸１０が挿入されている。また、クランク軸１０のうち第２部位２２０側の先端部には、図略の駆動モータの駆動力が入力されるプーリー等の入力部１１が取り付けられている。具体的には、入力部１１は、端板４ｂの貫通孔４ｆに連通する第２部位２２０の入力孔２２０ｄを通じてクランク軸１０の先端部に取り付けられており、駆動モータの駆動力をクランク軸１０に伝達することによって当該クランク軸１０を軸回りに回転させる。
【００４０】
クランク軸１０は、一対のクランク軸受１２ａ，１２ｂによりキャリア４に対して軸回りに回転可能に支持されている。具体的には、第１クランク軸受１２ａは、クランク軸１０の軸方向における第１部位２１０側の一端部分と基板４ａとの間に配置されている。一方、第２クランク軸受１２ｂは、クランク軸１０の軸方向における第２部位２２０側の他端部分と端板４ｂとの間に配置されている。これにより、クランク軸１０は、基板４ａ及び端板４ｂに回転可能に支持されている。
【００４１】
クランク軸１０は、軸本体１０ｃと、この軸本体１０ｃに一体的に形成された偏心部１０ａ，１０ｂとを有する。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、両クランク軸受１２ａ，１２ｂによって支持された部分の間に軸方向に並んで配置されている。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ円柱形状を有しており、いずれも軸本体１０ｃの軸心に対して偏心した状態で軸本体１０ｃから径方向外側に張り出している。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ軸心から所定の偏心量で偏心しており、互いに所定角度の位相差を有するように配置されている。
【００４２】
第１揺動歯車１４は、外筒２内における基板４ａと端板４ｂとの間の空間に配置されている。第１揺動歯車１４は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさの外径を有している。第１揺動歯車１４は、第１外歯１４ａ、第１挿入孔１４ｂ、および複数の第１貫通孔１４ｃを有している。第１外歯１４ａは、第１揺動歯車１４の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状の部位である。第１外歯１４ａの歯数は、内歯ピン３の数よりも少ない数に設定されている。第１挿入孔１４ｂは、第１偏心部１０ａが挿入される部位であって、当該第１挿入孔１４ｂにおいて第１揺動歯車１４が第１ころ軸受を介して第１偏心部１０ａに取り付けられている。各第１貫通孔１４ｃは、各シャフト４ｃが挿入される部位であって、当該各シャフト４ｃの外径に比して少し大きい径を有している。
【００４３】
第１揺動歯車１４は、クランク軸１０の回転に伴って第１偏心部１０ａが偏心回転する際に、当該偏心回転に連動して第１外歯１４ａが内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。
【００４４】
第２揺動歯車１６は、外筒２内における基板４ａと端板４ｂとの間の空間に配置されており、第１揺動歯車１４よりも第２部位２２０側に位置している。第２揺動歯車１６は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさの外径を有している。第２揺動歯車１６は、第２外歯１６ａ、第２挿入孔１６ｂ、および複数の第２貫通孔１６ｃを有している。第２外歯１６ａは、第２揺動歯車１６の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状の部位である。第２外歯１６ａの歯数は、内歯ピン３の数よりも少なく設定されている。第２挿入孔１６ｂは、第２偏心部１０ｂが挿入される部位であって、当該第２挿入孔１６ｂにおいて第２揺動歯車１６が第２ころ軸受を介して第２偏心部１０ｂに取り付けられている。各第２貫通孔１６ｃは、各シャフト４ｃが挿入される部位であって、当該各シャフト４ｃの外径に比して少し大きい径を有している。
【００４５】
なお、本実施形態では、互いに位相の異なる第１揺動歯車１４と第２揺動歯車１６との２つの揺動歯車を採用したが、これに限らず、１つあるいは３つ以上の揺動歯車を採用してもよい。
【００４６】
このような構成を有する歯車装置３００では、入力部１１を介してクランク軸１０に駆動力が伝達されることにより、当該駆動力に応じた所定の回転数でクランク軸１０が回転するとともに、当該回転に応じた所定の回転数で第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６が揺動回転する。このとき、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６は、噛み合い位置が順次移動するように内歯ピン３に噛み合いながら公転する。これにより、外筒２とキャリア４とが同心状に相対的に変位する。
【００４７】
ここで、歯車装置３００は、複数の第１固定部材３０と複数の第２固定部材４０とをさらに備えており、各第１固定部材３０を介して外筒２が第１の部材１００に固定されるとともに、各第２固定部材４０を介してキャリア４が第２の部材２００に固定される。
【００４８】
各第１固定部材３０は、第１の部材１００と外筒２とを固定する部材である。ここで、第１の部材１００の取付け部１１０は、外筒２の軸方向に貫通した複数の締結孔１１０ａを有しており、外筒２のフランジ部は、外筒２の軸方向において各締結孔１１０ａと連通した複数の挿通孔２ｃを有している。各第１固定部材３０は、フランジ部の挿通孔２ｃを通じて締結孔１１０ａに挿入されることにより、外筒２のフランジ部と第１の部材１００の取付け部１１０とを締結している。
【００４９】
各第２固定部材４０は、第２の部材２００とキャリア４とを固定する部材である。各第２固定部材４０は、複数の一方側固定部４０ａと複数の他方側固定部４０ｂとを含んでいる。
【００５０】
各一方側固定部４０ａは、第２の部材２００の第１部位２１０とキャリア４とを固定する部材である。ここで、第１部位２１０は、キャリア４の軸方向に貫通した複数の挿通孔２１０ｃを有しており、基板４ａは、キャリア４の軸方向において各挿通孔２１０ｃに連通するとともにシャフト４ｃの一端が嵌め込まれる凹部分に貫通する複数の挿通孔４ｅを有しており、シャフト４ｃは、キャリア４の軸方向において各挿通孔４ｅに連通した複数の締結孔４ｈを有している。各一方側固定部４０ａは、挿通孔２１０ｃおよび挿通孔４ｅを通じて締結孔４ｈに挿入されることにより、第１部位２１０と基板４ａとを締結するとともに、当該基板４ａとシャフト４ｃとを締結している。なお、一方側固定部４０ａは、基板４ａとシャフト４ｃとを締結していなくともよく、基板４ａと第１部位２１０とを締結していればよい。一方側固定部４０ａが基板４ａとシャフト４ｃとを締結しない場合、当該基板４ａとシャフト４ｃとは、一体の部材で形成されてもよいし、一方側固定部４０ａ以外の他の固定部材によって固定されてもよい。
【００５１】
本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、第１部位２１０には基板４ａの周方向に亘って等間隔に配置された６つの挿通孔２１０ｃが形成されており、当該６つの挿通孔２１０ｃに対応して６つの一方側固定部４０ａが設けられている。なお、一方側固定部４０ａの個数は任意であって、関節機構Ｙ１の使用態様に応じて適宜変更することができる。
【００５２】
各他方側固定部４０ｂは、第２の部材２００の第２部位２２０とキャリア４とを固定する部材である。ここで、第２部位２２０は、キャリア４の軸方向に貫通した複数の挿通孔２２０ｃを有しており、端板４ｂは、キャリア４の軸方向において各挿通孔２２０ｃと連通するとともにシャフト４ｃの他端が嵌め込まれる凹部分に貫通する複数の挿通孔４ｇを有しており、シャフト４ｃは、キャリア４の軸方向において各挿通孔４ｇに連通した複数の締結孔４ｉを有している。各他方側固定部４０ｂは、挿通孔２２０ｃおよび挿通孔４ｇを通じて締結孔４ｉに挿入されることにより、第２部位２２０と端板４ｂとを締結するとともに、当該端板４ｂとシャフト４ｃとを締結している。なお、他方側固定部４０ｂは、端板４ｂとシャフト４ｃとを締結していなくともよく、端板４ｂと第２部位２２０とを締結していればよい。他方側固定部４０ｂが端板４ｂとシャフト４ｃとを締結しない場合、当該端板４ｂとシャフト４ｃとは、一体の部材で形成されてもよいし、他方側固定部４０ｂ以外の他の固定部材によって固定されてもよい。
【００５３】
本実施形態では、図３の（ｂ）に示すように、第２部位２２０には端板４ｂの周方向に亘って等間隔に配置された６つの挿通孔２２０ｃが形成されており、当該６つの挿通孔２２０ｃに対応して６つの他方側固定部４０ｂが設けられている。なお、他方側固定部４０ｂの個数は任意であって、関節機構Ｙ１の使用態様に応じて適宜変更することができる。
【００５４】
本実施形態では、一方側固定部４０ａと他方側固定部４０ｂとは、キャリア４の軸方向において互いに対向して設けられている。具体的には、キャリア４は、当該キャリア４の軸方向において一方側固定部４０ａと他方側固定部４０ｂとに挟み込まれるように第１部位２１０と第２部位２２０とに固定されている。なお、一方固定部４０ａと他方固定部４０ｂとは、キャリア４の軸方向において互いに対向していなくともよく、一方固定部４０ａおよび他方固定部４０ｂのそれぞれが第１部位２１０および第２部位２２０のそれぞれとキャリア４とを固定していればよい。
【００５５】
第２の部材２００は、クランク軸１０から第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を介してキャリア４に伝達されたトルクが互いに対向する一方側固定部４０ａと第２固定部材４０とを介して第１部位２１０および第２部位２２０に伝達されることにより、第１の部材１００に対して相対的に回動する。
【００５６】
このように、ヒューマノイドロボットＸ１の関節機構Ｙ１では、第２の部材２００において第１部位２１０と第２部位２２０とが互いに対向しており、当該第１部位２１０と第２部位２２０との間に歯車装置３００が配置されている。そして、一方固定部４０ａによって第１部位２１０とキャリア４の基板４ａとが固定されているとともに、他方固定部４０ｂによって第２部位２２０とキャリア４の端板４ｂとが固定されている。すなわち、歯車装置３００の出力部材となるキャリア４は、当該キャリア４の軸方向の両側において第２の部材２００に固定されている。このため、キャリア４の回転によって第２の部材２００に伝達されるトルクを大きくすることができる。さらに、この関節機構Ｙ１は、減速機としてクランク軸１０の回転に伴う第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６の揺動によってキャリア４と外筒２とが同心状に相対的に変位するように構成された歯車装置３００を採用している。この歯車装置３００は、波動歯車装置に比して高負荷に強い装置であることから、当該歯車装置３００から第２の部材２００への伝達トルクが小さくなることを抑止できる。
【００５７】
さらに、関節機構Ｙ１では、基板４ａと端板４ｂとシャフト４ｃとが互いに独立した部材で構成されているため、第１揺動歯車１４の第１貫通孔１４ｃおよび第２揺動歯車１６の第２貫通孔１６ｃにシャフト４ｃを挿入した上で第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を挟むように基板４ａと端板４ｂとを配置し、この状態においてシャフト４ｃと基板４ａおよび端板４ｂとを接続することによって、当該関節機構Ｙ１を容易に組み立てることができる。
【００５８】
さらに、関節機構Ｙ１では、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６から負荷がかかりやすいシャフト４ｃを剛性の高い素材にて形成するとともに、基板４ａおよび端板４ｂをシャフト４ｃに比して密度に小さい軽量素材にて形成しているため、耐久力が高く且つ軽量なキャリア４を構成することができる。
【００５９】
さらに、関節機構Ｙ１では、第１部位２１０とキャリア４とを固定するための一方側固定部４０ａによって基板４ａとシャフト４ｃとを固定できるとともに、第２部位２２０とキャリア４とを固定するための他方側固定部４０ｂによって端板４ｂとシャフト４ｃとを固定できる。このため、基板４ａ、端板４ｂ、およびシャフト４ｃが互いに独立した部材であっても部品点数を増やすことなくシャフト４ｃと基板４ａおよび端板４ｂとを固定することができる。また、一方側固定部４０ａによって第１部位２１０と基板４ａとを固定する作業工程において当該基板４ａとシャフト４ｃとを固定できるとともに、他方側固定部４０ｂによって第２部位２２０と端板４ｂとを固定する作業工程において当該端板４ｂとシャフト４ｃとを固定できる。このため、作業工程が複雑化することを抑止できる。
【００６０】
さらに、関節機構Ｙ１では、一方側固定部４０ａが第１部位２１０の挿通孔２１０ｃを通じてシャフト４ｃの締結孔４ｈに挿入されており、他方側固定部４０ｂが第２部位２２０の挿通孔２２０ｃを通じてシャフト４ｃの締結孔４ｉに挿入されている。このため、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６から各シャフト４ｃへと伝達されたトルクが当該各シャフト４ｃから各一方側固定部４０ａおよび各他方側固定部４０ｂに直接伝達される。これにより、第２の部材２００への伝達トルクを大きくすることができる。
【００６１】
さらに、関節機構Ｙ１では、第１部位２１０に第１案内部２１０ａが設けられているとともに第２部位２２０に第２案内部２２０ａが設けられており、当該第１，第２案内部２１０ａ，２２０ａに案内されつつ第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に挿入された歯車装置３００が所定の位置にて停止される。このため、第２固定部材４０を介してキャリア４と第２の部材２００とを固定するに際して、当該キャリア４と第２の部材２００との相対的な位置決めを確実に行うことができる。これにより、関節機構Ｙ１の組み立て作業効率が向上する。なお、本明細書において、上記の所定の位置とは、第１部位２１０の各挿通孔２１０ｃと基板４ａの各挿通孔４ｅとが連通するとともに、第２部位２２０の各挿通孔２２０ｃと端板４ｂの各挿通孔４ｇが連通する位置を指し、当該位置において歯車装置３００の挿入が停止されるように第１停止部２１０ｂおよび第２停止部２２０ｂが設けられている。
【００６２】
以上、本実施形態に係るヒューマノイドロボットＸ１の関節機構Ｙ１について詳細に説明したが、本発明に係る関節機構は、これに限らず種々の変形が可能である。
【００６３】
図４に示す関節機構Ｙ１の変形例では、第１部位２１０の内壁と基板４ａとの間に生じた隙間を埋めるように薄い平板からなる板状部材であるシム５０ａが設けられているとともに、第２部位２２０の内壁と基板４ａとの間に生じた隙間を埋めるように薄い平板からなる板状部材であるシム５０ｂが設けられている。このような構成によれば、第１部位２１０の内壁と第２部位２２０の内壁との間隔に比してキャリア４の軸方向における当該キャリア４の長さが小さい場合であっても、歯車装置３００のサイズに応じて第１部位２１０の内壁と第２部位２２０の内壁との間隔を調整する必要がなく、これにより関節機構Ｙ１の組み立て作業効率が向上する。
【００６４】
また、図４に示す関節機構Ｙ１の変形例のように、第１部位２１０の内壁と基板４ａとの間にシム５０ａが設けられるとともに第２部位２２０の内壁と端板４ｂとの間にシム５０ｂが設けられる場合、第１の部材１００の回転軸方向における位置調整を行うことが可能となる。なお、シム５０ａ，５０ｂは、どちらか一方のみが設けられていてもよい。
【００６５】
また、図４に示す関節機構Ｙ１の変形例では、シム５０ａに第１部位２１０の挿通孔２１０ｃおよび基板４ａの挿通孔４ｅに連通する孔が設けられており、当該孔に一方側固定部４０ａが挿通されることによりシム５０ａが保持されている。また、シム５０ｂに第２部位２２０の挿通孔２２０ｃおよび端板４ｂの挿通孔４ｇに連通する孔が設けられており、当該孔に他方側固定部４０ｂが挿通されることによりシム５０ｂが保持されている。このような構成によれば、第１部位２１０と基板４ａとを固定する一方側固定部４０ａによってシム５０ａを保持できるとともに、第２部位２２０と端板４ｂとを固定する他方側固定部４０ｂによってシム５０ｂを保持できるため、部品点数あるいは作業工程を増やすことなくシム５０ａ，５０ｂの保持を達成することができる。
【００６６】
図５に示す関節機構Ｙ１の変形例では、第１部位２１０と第２部位２２０とが互いに独立した部材で構成されており、当該第１部位２１０と第２部位２２０との隙間を埋めるように薄い平板からなる板状部材であるシム５０ｃが設けられている。そして、前記隙間にシム５０ｃが設けられた状態で、互いに独立した第１部位２１０と第２部位２２０とが第３固定部材６０によって締結されている。このような構成によれば、キャリア４の軸方向における当該キャリア４の長さが比較的大きい場合であっても、シム５０ｃによって第１部位２１０の内壁と第２部位２２０の内壁との間隔を広げることにより、歯車装置３００を第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に配置することができる。
【００６７】
図６に示す関節機構Ｙ１の変形例では、入力部１１に代えて扁平サーボモータ７０が採用されており、当該扁平サーボモータ７０が複数の第４固定部材８０によって第２部位２２０に固定されている。この扁平サーボモータ７０は、第２部位２２０の外壁に対向する面に複数の窪みを有しており、当該各窪みに各第２固定部材４０のネジ頭が収容されている。このように、図６に示す関節機構Ｙ１の変形例では、扁平サーボモータ７０を採用することにより停止位置精度を高めることができるとともに、当該扁平サーボモータ７０が第２部位２２０に固定されることで、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータと第２の部材２００とを一体化することができる。
【００６８】
また、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータと第２の部材２００とを一体化する構成は、図６に示す変形例に限らず、図７に示す変形例のように、第２の部材２００に設けられた収容部２３０にモータ９０を収容するとともに、当該モータ９０を入力部１１に連結することによりモータ９０から入力部１１を介してクランク軸１０に駆動力を伝達する構成であってもよい。
【００６９】
このように、図６および図７に示す関節機構Ｙ１の変形例では、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータ（扁平サーボモータ７０，モータ９０）が第２の部材２００に取り付けられることにより、関節機構Ｙ１全体として、ヒューマノイドロボットＸ１の一部分を構成する第１の部材１００および第２の部材２００と、当該第１の部材１００と第２の部材２００との相対的な回動を可能とする歯車装置３００と、当該歯車装置３００に対して駆動力を伝達するモータ（扁平サーボモータ７０，モータ９０）と、を備えたモジュールを構成することができる。このため、図６および図７に示す関節機構Ｙ１の変形例では、前記モジュールを単一のヒューマノイドロボットＸ１における一対の肘関節部分に適用することで、当該ヒューマノイドロボットＸ１の組み立て作業効率の向上あるいは部品点数の削減を達成することができる。なお、前記モジュールは、一対の肘関節部分に適用されるのみならず、例えば、一対の股関節部分あるいは一対の膝関節部分等の関節における軸の向きあるいは位置構成が近似した部分に適用することができる。
【００７０】
なお、上述した本実施形態および各変形例に係る関節機構Ｙ１の歯車装置３００は、いずれもセンタークランク式の歯車装置であって、クランク軸１０の軸本体１０ｃの軸線が歯車装置３００の中心軸線となっているが、これに限らない。例えば、クランク軸１０に代えて、歯車装置３００の中心軸線から径方向に所定間隔で離間するとともに周方向に並ぶ複数のクランク軸が設けられてもよい。また、クランク軸１０に加えて、周方向に並ぶ前記複数のクランク軸が設けられてもよい。このように、クランク軸１０の配置や個数は任意であって、歯車装置３００の使用態様に応じて適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００７１】
Ｘ１            ヒューマノイドロボット
Ｙ１            関節機構
２              外筒
３              内歯ピン（内歯）
４              キャリア
４ａ            基板
４ｂ            端板
４ｃ            シャフト
１０            クランク軸
１０ａ          第１偏心部（偏心部）
１４            第１揺動歯車
１４ａ          第１外歯（外歯）
１４ｂ          第１挿入孔（挿入孔）
１４ｃ          第１貫通孔（貫通孔）
３０            第１固定部材
４０            第２固定部材
４０ａ          一方側固定部
４０ｂ          他方側固定部
５０ａ〜５０ｃ  シム（板状部材）
７０            扁平サーボモータ
９０            モータ
１００          第１の部材
２００          第２の部材
３００          歯車装置
【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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