特許 6352605 回転駆動機構およびこれを備えるロボットの関節機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6352605

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】回転駆動機構およびこれを備えるロボットの関節機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/06 20060101AFI20180625BHJP

   B25J 5/00 20060101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   B25J19/06

   B25J5/00 B

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-176244(P2013-176244)

(22)【出願日】2013年8月28日

(65)【公開番号】特開2015-44262(P2015-44262A)

(43)【公開日】2015年3月12日

【審査請求日】2016年6月24日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】598163064

【氏名又は名称】学校法人千葉工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100167900

【弁理士】

【氏名又は名称】福井 仁

(72)【発明者】

【氏名】大和 秀彰

(72)【発明者】

【氏名】戸田 健吾

(72)【発明者】

【氏名】清水 正晴

(72)【発明者】

【氏名】小太刀 崇

(72)【発明者】

【氏名】奥村 悠

(72)【発明者】

【氏名】古田 貴之

【審査官】 藤井 浩介

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０６０６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５１０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２９７１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１９３０７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、前記モータにて回転させられる回転体とを備える回転駆動機構であって、
前記モータの出力軸と、前記回転体とを接続することによって、前記モータの回転を前記回転体に伝達する摩擦伝動ベルトと、
前記モータおよび前記モータの出力軸を接続するウォームギヤと、
一対の前記回転体としてのサイドギヤと、
前記一対のサイドギヤのそれぞれと噛み合うように前記一対のサイドギヤの間に配設されるピニオンと、
前記一対のサイドギヤおよび前記ピニオンの回転軸に沿って貫通して形成された穴に摺動自在に内挿されたＴ字状の軸体と、
前記回転体の回転角度を検出するとともに、前記回転体に当接して設けられたセンサとを備え、
前記軸体の回転角度を検出し、
前記摩擦伝動ベルトは、前記モータの出力軸または前記回転体に過負荷が加わると滑って空転するように設計されることを特徴とする回転駆動機構。

【請求項2】

請求項１に記載された回転駆動機構と、
前記回転体に設けられるとともに、前記回転体の回転に伴って回転する制御対象とを備えることを特徴とする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、モータにて回転体を回転させる回転駆動機構およびこれを備えるロボットの関節機構に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、モータと、モータにて回転させられる回転体とを備える回転駆動機構が知られている。
例えば、特許文献１に記載された駆動機構（回転駆動機構）は、モータと、このモータにて回転させられる版胴（回転体）と、モータの出力軸および版胴を接続することによって、モータの回転を版胴に伝達するタイミングベルトとを備えている。このような駆動機構によれば、モータの出力軸の回転は、タイミングベルトを介して版胴に伝達されるので、モータは、版胴を回転させることができる。
また、特許文献１に記載された駆動機構は、モータの出力軸と、タイミングベルトとの間に設けられたトルクリミッタ等の過負荷保護装置を備えている。この過負荷保護装置は、モータの出力軸または版胴に過負荷が加わると空転するので、モータ等の破損を抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−１２７５８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された駆動機構は、過負荷保護装置をモータ等の破損を抑制するために新たに設けなければならないので、部品点数が増加して大型化してしまうという問題がある。

【0005】

本発明の目的は、部品点数を増加させることなく、モータ等に過負荷が加わった場合であってもモータ等の破損を抑制することができる回転駆動機構およびこれを備えるロボットの関節機構を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の回転駆動機構は、モータと、モータにて回転させられる回転体とを備える回転駆動機構であって、モータの出力軸と、回転体とを接続することによって、モータの回転を回転体に伝達する摩擦伝動ベルトと、モータおよびモータの出力軸を接続するウォームギヤと、一対の回転体としてのサイドギヤと、一対のサイドギヤのそれぞれと噛み合うように一対のサイドギヤの間に配設されるピニオンと、一対のサイドギヤおよびピニオンの回転軸に沿って貫通して形成された穴に摺動自在に内挿されたＴ字状の軸体と、回転体の回転角度を検出するとともに、回転体に当接して設けられたセンサとを備え、軸体の回転角度を検出し、摩擦伝動ベルトは、モータの出力軸または回転体に過負荷が加わると滑って空転するように設計されることを特徴とする。

【0007】

ここで、摩擦伝動ベルトとは、動力の伝達に摩擦力を用いる平ベルトやＶベルト等のベルトである。このような摩擦伝動ベルトを回転駆動機構に採用する場合には、確実に動力を伝達するために摩擦伝動ベルトが空転することのないように十分な余裕を持ってベルトを設計する。
本発明によれば、摩擦伝動ベルトは、モータの出力軸または回転体に過負荷が加わると滑って空転するように設計されるので、回転駆動機構は、モータ等に過負荷が加わった場合であってもモータ等の破損を抑制することができる。また、トルクリミッタ等をモータ等の破損を抑制するために新たに設けなくてもよいので、回転駆動機構の部品点数を増加させることもない。

【0009】

ここで、モータと、モータにて回転させられる回転体とを備える従来の回転駆動機構において、回転体の回転角度を検出する場合には、モータの出力軸にポテンショメータ等のセンサを取り付けることによって、回転体の回転角度を間接的に検出する手法が一般的である。これは、モータの出力軸と、回転体との間に減速機を介在させた場合には、モータの回転速度は、回転体の回転速度よりも速くなるので、センサをモータの出力軸に取り付けることによって、センサを回転体に取り付ける場合と比較して、高い分解能で回転体の回転角度を検出することができるからである。また、センサをモータの出力軸に取り付けることによって、センサを回転体に取り付ける場合と比較して、信号線などのケーブルの引き回しが容易になるからである。
しかしながら、本発明のように、モータの出力軸または回転体に過負荷が加わると滑って空転するように摩擦伝動ベルトを設計すると、モータの回転角度を検出したとても摩擦伝動ベルトが空転した場合に回転体の回転角度を確実に検出することができなくなるという問題がある。

【0010】

本発明によれば、センサは、回転体に当接して設けられているので、摩擦伝動ベルトが空転した場合であっても回転体の回転角度を確実に検出することができる。したがって、回転駆動機構は、部品点数を増加させることなく、モータ等に過負荷が加わった場合であってもモータ等の破損を抑制することができるともに、摩擦伝動ベルトが空転した場合であっても回転体の回転角度を確実に検出することができる。

【0011】

本発明のロボットの関節機構は、前述した回転駆動機構と、回転体に設けられるとともに、回転体の回転に伴って回転する制御対象とを備えることを特徴とする。

【0012】

このような構成によれば、ロボットの関節機構は、前述した回転駆動機構を備えているので、前述した回転駆動機構と同様の作用効果を奏することができる。
また、ロボットの関節機構は、前述した回転駆動機構を備えているので、モータと、回転体および制御対象とを離間して配設することができ、アーム等の限られたスペースを有効に利用することができる。
なお、ロボットの関節機構は、高精度な位置決めを行う必要があることから、制御対象の回転角度を検出する際に高い精度が要求される。本発明によれば、ロボットの関節機構は、センサを回転体に当接して設けることによって、摩擦伝動ベルトが空転した場合であっても回転体の回転角度を高い精度で確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図

【図2】ハンドにおけるカメラの近傍を拡大した図

【図3】本体部および支持部のカバーを透視して内部を露出させた図

【図4】３つの平歯車の中心軸を通るように回転駆動機構を切断した断面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図である。
ロボット１は、図１に示すように、路上を走行する走行車Ｖに載置されるマニピュレータである。このロボット１は、走行車Ｖに取り付けるための取付部２と、取付部２に設けられた円柱状のアーム３と、アーム３の先端に接続された円柱状のアーム４と、アーム４の先端に接続されたハンド５とを備えている。

【0015】

アーム３は、紙面上下方向の軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられるとともに、この軸と直交する軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられている。
アーム４は、アーム３の中心軸と直交する軸を回転軸としてアーム３に回転自在に取り付けられている。
ハンド５は、本体部５１と、本体部５１におけるアーム４側の端部に設けられた２つのグリッパ６と、本体部５１におけるグリッパ６とは反対側の端部に設けられたカメラ７とを備えている。

【0016】

このロボット１は、走行車Ｖを走行させることによって作業領域を移動することができ、アーム３，４を駆動することによって、作業対象にグリッパ６を近接させることができる。そして、ロボット１は、グリッパ６にて作業対象を掴んだり回したりして所定の作業を行うことができる。この際、ロボット１は、カメラ７にて撮像される画像を参照して作業を行うことができる。

【0017】

図２は、ハンド５におけるカメラ７の近傍を拡大した図である。なお、図２では、紙面上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸のうち、本体部５１の中心軸と平行な軸をＸ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸をＹ軸として説明する。以下の図面においても同様である。
ハンド５の本体部５１およびカメラ７は、図２に示すように、関節機構８を介して互いに接続されている。

【0018】

関節機構８は、本体部５１におけるＹ軸方向の両側にそれぞれ設けられるとともに、−Ｘ軸方向に向かって延出する２つの延出部５１Ａと、カメラ７から−Ｚ軸方向に向かって延出するとともに、カメラ７を支持する支持部７１とを接続している。具体的には、支持部７１は、２つの延出部５１Ａに挟持されるようにして本体部５１に接続されている。この関節機構８は、本体部５１に対してカメラ７をＹ軸回りに回動自在に接続するとともに、Ｚ軸回りに回転自在に接続している。

【0019】

図３は、本体部５１および支持部７１のカバーを透視して内部を露出させた図である。なお、図３では、本発明の要部を構成する部品のみを図示し、その他の部品の図示を省略している。
本体部５１および支持部７１は、図３に示すように、本体部５１に対してカメラ７を回転および屈伸させる回転駆動機構９を介して接続されている。

【0020】

この回転駆動機構９は、本体部５１の＋Ｘ軸方向側に設けられるとともに、Ｙ軸方向の両側にそれぞれ設けられる一対のモータ９１Ａ，９１Ｂと、支持部７１に設けられるとともに、モータ９１Ａ，９１Ｂにて回転させられる回転体としての一対のサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂと、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂのそれぞれと噛み合うようにサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの間に配設されるピニオン９３とを備えている。すなわち、回転駆動機構９は、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびピニオン９３を備えて構成される差動歯車装置を備え、ピニオン９３は、カメラ７における−Ｚ軸方向側の端部に固定されている。
なお、本実施形態では、図３の左側に配置されたモータを９１Ａとし、サイドギヤを９２Ａとしている。また、図３の右側に配置されたモータを９１Ｂとし、サイドギヤを９２Ｂとしている。そして、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびピニオン９３には傘歯車を採用している。

【0021】

また、回転駆動機構９は、モータ９１Ａ，９１Ｂの出力軸９１Ａ１，９１Ｂ１と、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの入力軸９２Ａ１，９２Ｂ１とを接続することによって、モータ９１Ａ，９１Ｂの回転をサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂに伝達する摩擦伝動ベルトとしての一対のＶベルト９４Ａ，９４Ｂとを備えている。
なお、モータ９１Ａおよび出力軸９１Ａ１は、ウォームギヤ９１Ａ２を介して互いに接続され、モータ９１Ｂおよび出力軸９１Ｂ１は、ウォームギヤ９１Ｂ２を介して互いに接続されている。

【0022】

これらのＶベルト９４Ａ，９４Ｂは、モータ９１Ａ，９１Ｂの出力軸９１Ａ１，９１Ｂ１またはサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂに過負荷が加わると滑って空転するように設計されている。
換言すれば、モータ９１Ａ，９１Ｂの出力軸９１Ａ１，９１Ｂ１またはサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂに過負荷が加わっていない場合には、モータ９１Ａを回転させることによってＶベルト９４Ａを介してサイドギヤ９２Ａを回転させることができる。また、モータ９１Ｂを回転させることによってＶベルト９４Ｂを介してサイドギヤ９２Ｂを回転させることができる。

【0023】

このような関節機構８によれば、一対のサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂを逆方向に回転させることによって、ピニオン９３の回転軸を中心としてピニオン９３を回転させることができ、ひいては本体部５１に対してカメラ７をＺ軸回りに回転させることができる。
また、一対のサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂを同方向に回転させることによって、ピニオン９３を回転させることなく、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転軸（Ｙ軸）を中心としてカメラ７を回転させることができ、本体部５１に対してカメラ７を屈伸させることができる。
したがって、本実施形態では、カメラ７は、回転体としての一対のサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂに設けられるとともに、一対のサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転に伴って回転する制御対象である。

【0024】

また、回転駆動機構９は、サイドギヤ９２Ｂの入力軸９２Ｂ１に当接して設けられるとともに、サイドギヤ９２Ｂの回転角度を検出するセンサとしてのポテンショメータ９５を備えている。具体的には、このポテンショメータ９５は、サイドギヤ９２Ｂの入力軸９２Ｂ１に形成された歯車と噛み合うように設けられる平歯車９５Ａと、平歯車９５Ａと噛み合うように設けられるとともに、ポテンショメータ９５の入力軸に固定されることによって、自己の回転に伴ってポテンショメータ９５の入力軸を回転させる平歯車９５Ｂとを備えている。したがって、サイドギヤ９２Ｂの入力軸９２Ｂ１の回転は、平歯車９５Ａ，９５Ｂを介してポテンショメータ９５の入力軸に伝達される。

【0025】

さらに、回転駆動機構９は、カメラ７の回転角度を検出するポテンショメータ９６を備えている。具体的には、このポテンショメータ９６は、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびピニオン９３の回転軸に沿って貫通して形成された穴に内挿された軸体９７に固定されることによって、軸体９７の回転に伴って回転する平歯車９６Ａと、ポテンショメータ９６の入力軸に固定されることによって、自己の回転に伴ってポテンショメータ９６の入力軸を回転させる平歯車９６Ｂと、平歯車９６Ａおよび平歯車９６Ｂのそれぞれと噛み合うように設けられる平歯車９６Ｃとを備えている。したがって、軸体９７の回転は、平歯車９６Ａ〜９６Ｃを介してポテンショメータ９６の入力軸に伝達される。

【0026】

図４は、３つの平歯車９６Ａ〜９６Ｃの中心軸を通るように回転駆動機構９を切断した断面図である。
軸体９７は、図４に示すように、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびピニオン９３の回転軸に沿って貫通して形成された穴に摺動自在に内挿される断面Ｔ字状の中空の軸体である。
この軸体９７の内部には、カメラ７に接続されるケーブルＣが通っている。このケーブルＣは、スリップリングＳＲを介してカメラ７に接続されているので、カメラ７は、ピニオン９３の回転軸回りに無限回転することができる。

【0027】

ここで、カメラ７におけるサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転軸回りの回転角度は、サイドギヤ９２Ｂの入力軸９２Ｂ１の回転角度を検出するポテンショメータ９５では検出することができない。これは、カメラ７をピニオン９３の回転軸回りに回転させる場合であっても、カメラ７をサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転軸回りに屈伸させる場合であっても、サイドギヤ９２Ｂを回転させるためである。

【0028】

これに対して、軸体９７は、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびピニオン９３の回転軸に沿って貫通して形成された穴に摺動自在に内挿されているので、カメラ７をピニオン９３の回転軸回りに回転させる場合には回転せず、カメラ７をサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転軸回りに屈伸させる場合にのみ回転することになる。したがって、回転駆動機構９は、ポテンショメータ９６にて軸体９７の回転角度を検出することによって、カメラ７におけるサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂの回転軸回りの回転角度を検出することができる。

【0029】

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）Ｖベルト９４Ａ，９４Ｂは、モータ９１Ａ，９１Ｂの出力軸９１Ａ１，９１Ｂ１またはサイドギヤ９２Ａ，９２Ｂに過負荷が加わると滑って空転するように設計されるので、回転駆動機構９は、モータ９１Ａ，９１Ｂ等に過負荷が加わった場合であってもモータ９１Ａ，９１Ｂ等の破損を抑制することができる。また、トルクリミッタ等をモータ９１Ａ，９１Ｂ等の破損を抑制するために新たに設けなくてもよいので、回転駆動機構９の部品点数を増加させることもない。

【0030】

（２）ポテンショメータ９５は、サイドギヤ９２Ｂに当接して設けられているので、Ｖベルト９４Ｂが空転した場合であってもサイドギヤ９２Ｂの回転角度を確実に検出することができる。したがって、回転駆動機構９は、部品点数を増加させることなく、モータ９１Ａ，９１Ｂ等に過負荷が加わった場合であってもモータ９１Ａ，９１Ｂ等の破損を抑制することができるともに、Ｖベルト９４Ａ，９４Ｂが空転した場合であっても９２Ａ，９２Ｂの回転角度を高い精度で確実に検出することができる。
（３）ロボット１の関節機構８は、回転駆動機構９を備えているので、モータ９１Ａ，９１Ｂと、サイドギヤ９２Ａ，９２Ｂおよびカメラ７とを離間して配設することができ、アーム３，４の限られたスペースを有効に利用することができる。

【0031】

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、ポテンショメータ９５は、サイドギヤ９２Ｂに当接して設けられていたが、当接して設けられていなくてもよく、例えば、モータの出力軸にポテンショメータ等のセンサを取り付けることによって、回転体の回転角度を間接的に検出してもよい。また、回転体の回転角度を検出しなくてもよい場合には、回転駆動機構は、センサを備えていなくてもよい。

【0032】

前記実施形態では、制御対象としてカメラ７を採用していたが、これ以外のものを採用してもよい。例えば、グリッパ６を制御対象として採用してもよく、要するに、制御対象は、回転体に設けられるとともに、回転体の回転に伴って回転するものであればよい。

【産業上の利用可能性】

【0033】

以上のように、本発明は、回転駆動機構およびこれを備えるロボットの関節機構に好適に利用できる。

【符号の説明】

【0034】

１ ロボット
２ 取付部
３，４ アーム
５ ハンド
６ グリッパ
７ カメラ（制御対象）
８ 関節機構
９ 回転駆動機構
５１ 本体部
５１Ａ 延出部
７１ 支持部
９１Ａ，９１Ｂ モータ
９１Ａ１，９１Ｂ１ 出力軸
９１Ａ２，９１Ｂ２ ウォームギヤ
９２Ａ，９２Ｂ サイドギヤ（回転体）
９２Ａ１，９２Ｂ１ 入力軸
９３ ピニオン
９４Ａ，９４Ｂ Ｖベルト（摩擦伝動ベルト）
９５ ポテンショメータ（センサ）
９５Ａ，９５Ｂ 平歯車
９６ ポテンショメータ
９６Ａ〜９６Ｃ 平歯車
９７ 軸体
Ｃ ケーブル
ＳＲ スリップリング
Ｖ 走行車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】