特開 2024-71978 二重関節機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024071978

(43)【公開日】2024-05-27

(54)【発明の名称】二重関節機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/00 20060101AFI20240520BHJP

   F16H 1/36 20060101ALI20240520BHJP

   F16H 55/17 20060101ALI20240520BHJP

   F16H 55/08 20060101ALI20240520BHJP

   H02K 7/116 20060101ALN20240520BHJP

【ＦＩ】

B25J17/00 E

F16H1/36

F16H55/17 Z

F16H55/08 Z

H02K7/116

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022182531

(22)【出願日】2022-11-15

(71)【出願人】

【識別番号】304036754

【氏名又は名称】国立大学法人山形大学

(74)【代理人】

【識別番号】100161355

【弁理士】

【氏名又は名称】野崎 俊剛

(72)【発明者】

【氏名】多田隈 理一郎

(72)【発明者】

【氏名】山廼邉 和史

【テーマコード（参考）】

3C707

3J027

3J030

5H607

【Ｆターム（参考）】

3C707AS01

3C707BS09

3C707CX01

3C707CX03

3C707CY36

3C707CY39

3C707HS27

3C707HT22

3C707HT23

3C707HT25

3J027FA36

3J027FB32

3J027GA01

3J027GB05

3J027GC15

3J027GC22

3J027GD04

3J027GD08

3J027GD12

3J027GE14

3J030BA01

3J030BA03

5H607AA12

5H607BB01

5H607CC03

5H607DD03

5H607EE33

5H607EE34

(57)【要約】

【課題】複数のモータを根本側に固定しながら、小型かつ手先側の可動範囲を大きくすることができる多自由度の関節機構を提供すること。
【解決手段】二重関節機構１０は、本体フレーム２０に回転可能に設けられた回転内軸３０と、固定歯車３１と、駆動ピニオンギア９０と、太陽歯車４０と、遊星キャリア５０と、中間遊星ピニオン５５と、第１遊星歯車６０と、第２遊星歯車６２と、可動フレーム６２と、を備えている。回転内軸３０及び駆動ピニオンギア９０の２つの回転入力に対して、可動フレーム６２が回転内軸３０と同軸のロール軸回転及び遊星キャリア５０を介して二重のピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体フレームに設けられ中空部分を有する回転内軸と、前記回転内軸の端部にこの回転内軸の軸直交方向に一体的設けられた固定歯車と、前記回転内軸の中空部分にこの回転内軸の軸直交方向に回転可能に設けられ駆動力を伝達する駆動ピニオンギアと、前記固定歯車に同軸で回転可能に設けられ前記駆動ピニオンギアに噛み合う太陽歯車と、前記太陽歯車の軸に一端部が回転可能に設けられた遊星キャリアと、前記遊星キャリアの長手方向途中に回転可能に設けられ前記太陽歯車に噛み合う中間遊星ピニオンと、前記遊星キャリアの他端部に回転可能に設けられ前記中間遊星ピニオンに噛み合う第１遊星歯車と、前記第１遊星歯車に同軸で一体的に設けられ前記固定歯車に噛み合う第２遊星歯車と、前記第２遊星歯車に一体的に設けられた可動フレームと、を備え、
前記駆動ピニオンギアの回転入力に対して、前記可動フレームが前記遊星キャリアを介して二重のピッチ軸回転の回転出力を行うことを特徴とする二重関節機構。

【請求項2】

請求項１記載の二重関節機構であって、
前記第１遊星歯車及び前記第２遊星歯車は、前記遊星キャリアにベアリングを介して回転可能に設けられていることを特徴とする二重関節機構。

【請求項3】

請求項１又は請求項２記載の二重関節機構であって、
前記遊星キャリアは、一端側の柄部と他端側の円環部とからなる虫メガネ形状に形成され、前記円環部の内側に前記第１遊星歯車が配置されていることを特徴とする二重関節機構。

【請求項4】

請求項１又は請求項２記載の二重関節機構であって、
前記太陽歯車の歯数は、前記第１遊星歯車の歯数と同じであることを特徴とする二重関節機構。

【請求項5】

請求項１又は請求項２記載の二重関節機構であって、
前記回転内軸は前記本体フレームに回転可能に設けられ、
前記回転内軸及び前記駆動ピニオンギアの２つの回転入力に対して、前記可動フレームが前記回転内軸と同軸のロール軸回転及び前記遊星キャリアを介して二重のピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことを特徴とする二重関節機構。

【請求項6】

請求項５記載の二重関節機構であって、
前記駆動ピニオンギアをロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転入力を行う差動機構を備え、
前記差動機構は、前記本体フレームと、前記回転内軸と、円筒状に形成されて前記回転内軸の外周を覆い且つ前記回転内軸の同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転内軸にこの回転内軸の軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合う前記駆動ピニオンギアと、を備え、
前記回転内軸及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記駆動ピニオンギアが前記回転内軸と同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことを特徴とする二重関節機構。

【請求項7】

請求項６記載の二重関節機構であって、
前記駆動ピニオンギアは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車であることを特徴とする二重関節機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、差動機構と遊星歯車機構により駆動力を伝達して回動させる関節機構に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットアームに代表されるような多関節リンクは、一般に手先アクチュエータの荷重や慣性負荷を根本側のアクチュエータが負担する構造になる。

【0003】

例えば、ロボットの関節機構では、根本側アームに対して手先側アームを、歯車機構を用いてアクチュエータ（以下、モータという）の駆動力を伝達して回動させる。このような歯車機構を用いた関節機構として、特許文献１の関節機構が知られている。

【0004】

特許文献１の関節機構は、根本側アームの端部と手先側アームの端部とが互いに可動自在に連結されている。そして、平歯車である第１歯車及び第２歯車の２つ直径（中心）を共有するように交差させ一体化した交差歯車と、根本側アームに回転可能に設けられ第１歯車と噛み合う根元側第３歯車と、手先側アームに回転可能に設けられ第２歯車と噛み合う手先側第４歯車を備える。交差歯車は、関節部に配置される。根本側アームに設けたモータによる駆動力を介して第３歯車を回転すると、根元側アームに対して手先側アームが可動する。手先側アームに設けたモータによる駆動力を介して第４歯車を回転すると、手先側アームに対して根本側アームが可動する。

【0005】

しかし、特許文献１の関節機構は、根本側アームにモータが設けられているだけでなく、手先側アームにもモータが設けられており、手先側モータの荷重や慣性負荷を根本側のモータが負担する構造になる。これは、根本側モータの高容量化を招き、経済的でない。そのため、複数のモータを根本側に固定しながら、手先側へ多自由度を出力できる関節機構が求められる。また、特許文献１の関節機構は、円筒状の根本側アーム内にモータが設けられると共に円筒状の手先側アーム内にモータが設けられており、根本側アームに対して手先側アームをある程度回動させると、根本側アームの端部が手先側アームの端部に接触するため、手先側アームの回転角度が制限されてしまう。そのため、根本側アームに対して手先側アームの回転角度を大きくすることができる多自由度の関節機構が求められる。

【0006】

ところで、発明者らは、１段で直交２自由度への回転動作が可能な歯車差動機構であるいわゆる内ウォーム差動機構を採用した関節機構を研究しており、円筒の内面にウォームギアが形成された内ウォームギアと、その円筒の内側に配置されるウォームピニオンとを用いた内ウォーム差動機構を採用したものである。これは傘歯車など他の差動装置と比較して小型に製作することができる。しかし、出力歯車が内ウォーム差動機構に埋まるように配置されるため、手先側の回転角度が制限されてしまう。

【0007】

また、広可動域関節の実現のため、オフセット関節や水平多関節方式のロボットアームがあるが、非オフセット方向での可動域減少、関節高さの増加といった課題がある。そのため、二重関節を用いて広可動域関節を実現することが考えられる。周知技術では、ワイヤ駆動によるものや、空気圧駆動によるものがあるが、大きな駆動力を伝達するには好ましくない。また、モータ駆動の二重関節を、クローラロボットのジョイントとして利用した技術もあるが、関節の両方向にアクチュエータを配置する必要があり、やはり根本側モータの高容量化を招き、好ましくない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００９－１１３１９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、以上の点に鑑み、複数のモータを根本側に固定しながら、小型かつ手先側の可動範囲を大きくすることができる多自由度の関節機構を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

［１］本体フレームに設けられ中空部分を有する回転内軸と、前記回転内軸の端部にこの回転内軸の軸直交方向に一体的設けられた固定歯車と、前記回転内軸の中空部分にこの回転内軸の軸直交方向に回転可能に設けられ駆動力を伝達する駆動ピニオンギアと、前記固定歯車に同軸で回転可能に設けられ前記駆動ピニオンギアに噛み合う太陽歯車と、前記太陽歯車の軸に一端部が回転可能に設けられた遊星キャリアと、前記遊星キャリアの長手方向途中に回転可能に設けられ前記太陽歯車に噛み合う中間遊星ピニオンと、前記遊星キャリアの他端部に回転可能に設けられ前記中間遊星ピニオンに噛み合う第１遊星歯車と、前記第１遊星歯車に同軸で一体的に設けられ前記固定歯車に噛み合う第２遊星歯車と、前記第２遊星歯車に一体的に設けられた可動フレームと、を備え、
前記駆動ピニオンギアの回転入力に対して、前記可動フレームが前記遊星キャリアを介して二重のピッチ軸回転の回転出力を行うことを特徴とする。

【0011】

かかる構成によれば、本体フレームに設けられた回転内軸と、固定歯車と、駆動ピニオンギアと、太陽歯車と、遊星キャリアと、中間遊星ピニオンと、第１遊星歯車と、第２遊星歯車と、可動フレームと、を備えている。中間遊星ピニオンを有するいわゆる２Ｋ－Ｈ型遊星歯車機構により、入力となる太陽歯車と同じ方向に、第１遊星歯車及び第２遊星歯車を回転可能に支持する遊星キャリアを回転させている。このため、入力となる太陽歯車の回転角度θ１と、遊星キャリアを介した可動フレームの回転角度θ２とを同じ方向にすることができる。遊星キャリアを介して２つの回転軸を持つ二重関節を、遊星歯車機構を用いて実現している。これにより、歯車伝達機構のみで「ある回転関節の回転角を任意の倍率で拡大できる」という可動範囲の拡大を可能にし、可動フレームが設けられた第２遊星歯車から出力を取り出して手先側である可動フレームの可動範囲を大きくできる二重関節機構となる。

【0012】

［２］好ましくは、前記第１遊星歯車及び前記第２遊星歯車は、前記遊星キャリアにベアリングを介して回転可能に設けられている。

【0013】

かかる構成によれば、第１遊星歯車及び第２遊星歯車は、遊星キャリアにベアリングを介して回転可能に設けられているので、遊星キャリアに対する第１遊星歯車及び第２遊星歯車の回転を円滑にし、回転内軸に固定された固定歯車に第２遊星歯車を噛み合わせて第２遊星歯車から出力を取り出すことができる。

【0014】

［３］好ましくは、前記遊星キャリアは、一端側の柄部と他端側の円環部とからなる虫メガネ形状に形成され、前記円環部の内側に前記第１遊星歯車が配置されている。

【0015】

かかる構成によれば、遊星キャリアは、一端側の柄部と他端側の円環部とからなる虫メガネ形状に形成され、円環部の内側に第１遊星歯車が配置されているので、遊星キャリアのスペース内に第１遊星歯車を配置してスペースを有効に活用し関節機構の小型化を図ることができる。

【0016】

［４］好ましくは、前記太陽歯車の歯数は、前記第１遊星歯車の歯数と同じである。

【0017】

かかる構成によれば、太陽歯車の歯数は、第１遊星歯車の歯数と同じであるので、中間遊星ピニオンを介して入力となる太陽歯車の回転角度θ１と、遊星キャリアを介した可動フレームの回転角度θ２とを同じ方向にすることができ、遊星キャリアを介した可動フレームの回転角度θ２を太陽歯車の回転角度θ１の２倍にすることができる。

【0018】

［５］好ましくは、前記回転内軸は前記本体フレームに回転可能に設けられ、
前記回転内軸及び前記駆動ピニオンギアの２つの回転入力に対して、前記可動フレームが前記回転内軸と同軸のロール軸回転及び前記遊星キャリアを介して二重のピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。

【0019】

かかる構成によれば、回転内軸は本体フレームに回転可能に設けられている。駆動ピニオンギアを回転内軸の軸直交方向に回転可能に設け、本体フレームに回転可能に設けられた回転内軸に固定歯車を一体的に設けたので、回転内軸をこの回転内軸の軸（縦軸）回りに回転させることで、固定歯車をねじる方向に回動することができる。結果、複数のモータを根本側に固定しながら、小型かつ手先側の可動範囲を大きくすることができる多自由度の関節機構を提供することができる。

【0020】

［６］好ましくは、前記駆動ピニオンギアをロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転入力を行う差動機構を備え、
前記差動機構は、前記本体フレームと、前記回転内軸と、円筒状に形成されて前記回転内軸の外周を覆い且つ前記回転内軸の同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転内軸にこの回転内軸の軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合う前記駆動ピニオンギアと、を備え、
前記回転内軸及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記駆動ピニオンギアが前記回転内軸と同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。

【0021】

かかる構成によれば、差動機構は、円筒状に形成されて回転内軸の外周を覆い且つ回転内軸の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、回転内軸にこの回転内軸の軸に対してねじれの位置で直交する軸まわりに回転可能に設けられ内ウォームギアに噛み合う駆動ピニオンギアと、を備えている。内ウォームギアは円筒状部分の内側にらせん状の歯が形成され、内ウォームギアの内側に駆動ピニオンギアが配置されているので、差動機構を小型化することができる。さらに、本発明では、内ウォームギアの外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。

【0022】

［７］好ましくは、前記駆動ピニオンギアは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。

【0023】

かかる構成によれば、駆動ピニオンギアのピニオン（歯）の歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上において駆動ピニオンギアの軸に対して傾斜する内ウォームギアの歯面に滑らかに噛み合うことでき、且つ、伝達先の平歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。

【発明の効果】

【0024】

複数のモータを根本側に固定しながら、小型かつ手先側の可動範囲を大きくすることができる多自由度の二重関節機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明に係る二重関節機構の一例を示す部分断面斜視図である。

【図2】図１の二重関節機構の概念図である。

【図3】差動機構の基本構成を説明する斜視図である。

【図4】本発明に係る駆動ピニオンギアを示す説明図である。

【図5】図４の駆動ピニオンギアの各部を示す断面図である。

【図6】本発明に係る内ウォームギアを示す説明図である。

【図7】図６の内ウォームギアの各部を示す断面図である。

【図8】本発明に係る駆動ピニオンギアと内ウォームギアの噛み合い状態を示す説明図である。

【図9】比較例に係る関節機構の作用と本発明の実施例に係る二重関節機構の作用を説明する図である。

【図10】本発明に係る二重関節機構のピッチ軸方向の作用図である。

【図11】本発明に係る二重関節機構のロール軸（ねじり）方向の作用図である。

【図12】本発明に係る二重関節機構のコマ送り作用図である。

【図13】本発明に係る二重関節機構をアームに使用した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、本発明に係る二重関節機構を概念的（模式的）に示す図面も含むものとする。また、一実施形態として回転内軸の軸と同軸をロール軸と呼び、このロール軸に対して９０度方向をピッチ軸と呼ぶことがある。また、一実施形態としての直交する２つの軸を「ｒ軸」及び「ｅ軸（ｒ軸に対してねじれの位置で直交する方向の軸）」と呼ぶことがある。

【実施例0027】

図１～図３に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して可動フレーム６２をピッチ軸回転とロール軸回転を行うものである。二重関節機構１０は、本体フレーム２０に回転可能に設けられ中空部分を有する回転内軸３０と、回転内軸３０の端部にこの回転内軸３０の軸直交方向に一体的に設けられた固定歯車３１と、回転内軸３０の中空部分にこの回転内軸３０の軸直交方向に回転可能に設けられ駆動力を伝達する駆動ピニオンギア９０と、固定歯車３１に同軸で軸４１を介して回転可能に設けられ駆動ピニオンギア９０に噛み合う太陽歯車４０と、回転内軸３０をロール軸回転させる軸回転用モータ７２と、駆動ピニオンギア９０を駆動させる歯車回転用モータ７３と、を備えている。

【0028】

また、二重関節機構１０は、太陽歯車４０の軸４１に一端部が回転可能に設けられ柄部５１及び円環部５２から構成される遊星キャリア５０と、遊星キャリア５０の長手方向途中に軸５６を介して回転可能に設けられ太陽歯車４０に噛み合う中間遊星ピニオン５５と、遊星キャリア５０の他端部に軸６３を介して回転可能に設けられ中間遊星ピニオン５５に噛み合う第１遊星歯車６０と、第１遊星歯車６０に同軸で一体的に設けられ固定歯車３１に噛み合う第２遊星歯車６１と、第２遊星歯車６１に一体的に設けられた可動フレーム６２と、を備えている。

【0029】

また、遊星キャリア５０は、一端側の柄部５１と他端側の円環部５２とからなる虫メガネ形状に形成され、円環部５２の内側に第１遊星歯車６０が配置されている。第１遊星歯車６０及び第２遊星歯車６１は、遊星キャリア５０に設けた軸６３にベアリングを介して回転可能に設けられている。

【0030】

二重関節機構１０は、出力歯車として太陽歯車４０をもつ内ウォーム差動機構と、太陽歯車４０を入力軸、第１遊星歯車６０と第２遊星歯車６１を出力軸とするいわゆる２Ｋ－Ｈ型遊星歯車機構と、を備えている。

【0031】

軸回転用モータ７２の出力軸は、回転内軸３０と直結している。歯車回転用モータ７３の出力軸は、平歯車であるウォーム駆動歯車７３ａを介して内ウォームギア８０を駆動する。回転内軸３０と内ウォームギア８０は、いずれも同軸回りに回転する。内ウォームギア８０は円筒の内側に螺旋状の歯が形成されており、内側に配置された駆動ピニオンギア９０と噛み合う。駆動ピニオンギア９０は、太陽歯車４０、中間遊星ピニオン５５、第１遊星歯車６０（第２遊星歯車６１）、固定歯車３１の順に回転を伝達する。このとき、固定歯車３１は回転内軸３０に固定されているため、自由回転を行わない。したがって、第１遊星歯車６０及び第２遊星歯車６１に設けられた手先側の可動フレーム６２は、第１遊星歯車６０の回転軸回りの自転と、太陽歯車４０回りの公転を行い、大きな可動範囲を得る。

【0032】

また、第１遊星歯車６０と第２遊星歯車６１は同軸上に一体化して設け、手先として可動フレーム６２を取り付けている。太陽歯車４０から中間遊星ピニオン５５を介して伝達された回転運動は、第１遊星歯車６０の自転（θ２－θ１）に加えて、第２遊星歯車６１は回転内軸３０に固定された固定歯車３１の円周上を公転（θ１）する。これにより、従来の差動機構における機構同士の干渉を回避し、可動範囲を拡大することができる。

【0033】

また、一例として、太陽歯車４０の歯数は、第１遊星歯車６０の歯数と同じである。これにより、中間遊星ピニオン５５を介して入力となる太陽歯車４０の回転角度θ１と、遊星キャリア５０を介した可動フレーム６２（第１遊星歯車６０、第２遊星歯車６１）の回転角度θ２とを同じ方向にすることができ、遊星キャリア５０に設けられた第２遊星歯車６１を介した可動フレーム６２の回転角度θ２を太陽歯車４０の回転角度θ１の２倍にすることができる。

【0034】

なお、実施例では、太陽歯車４０の歯数を第１遊星歯車６０の歯数と同じにしたが、これに限定されず、太陽歯車４０の歯数を第１遊星歯車６０の歯数と異なる歯数にしてもよい。第２遊星歯車６１に設けられた可動フレーム６２（アーム）は、太陽歯車４０を中心とした回転（公転）θ１と、第１遊星歯車６０の回転軸を中心とした回転（自転）θ２を同時に行う。これにより、可動フレーム６２の回転角は、２つの角度の和となり任意の角度への回転が可能となる。このとき、θ１とθ２の比は、遊星歯車機構の平歯車の歯数によって任意に設計することができ、設計の自由度を向上させることができる。

【0035】

以上に述べた構成にすることで、回転内軸３０及び駆動ピニオンギア９０の２つの回転入力に対して、可動フレーム６２が回転内軸３０と同軸のロール軸回転及び遊星キャリア５０を介して二重のピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことができる。

【0036】

次に差動機構７０について説明する。
二重関節機構１０は、駆動ピニオンギア９０をロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転入力を行う差動機構７０を備えている。差動機構７０は、この差動機構７０を駆動するための駆動部７１を備えている。

【0037】

駆動部７１は、本体フレーム２０と、回転内軸３０に接続されこの回転内軸３０をロール軸回りに回転駆動するための軸回転用モータ７２と、ピッチ軸回りに歯車回転させるための歯車回転用モータ７３と、この歯車回転用モータ７３に設けられたウォーム駆動歯車７３ａと、このウォーム駆動歯車７３ａに噛み合い内ウォームギア８０を回転させるウォーム従動歯車７３ｂと、を備えている。

【0038】

差動機構７０は本体フレーム２０に回転可能に設けられた回転内軸３０と、円筒状に形成されて回転内軸３０の外周を覆い且つ回転内軸３０の同軸上（軸ｒ上）に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯８１が形成された内ウォームギア８０と、回転内軸３０にこの回転内軸３０の軸ｒに対してねじれの位置で直交するｅ軸（回転内軸３０の軸直交方向）に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合う駆動ピニオンギア９０と、を備えている。

【0039】

この構成により、回転内軸３０及び内ウォームギア８０の２つの回転入力に対して、駆動ピニオンギア９０が回転内軸３０と同軸ｒのロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。

【0040】

内ウォームギア８０は、ウォーム従動歯車７３ｂと一体に回転するように設けられた回転部材８２を備え、この回転部材８２に内ウォームギア８０の基端部分が設けられている。回転部材８２の中央部分に貫通孔８３が形成されており、この貫通孔８３に回転内軸３０が回転可能に挿通されている。また、回転内軸３０は、軸回転用モータ７２の回転軸と一体に回転するように設けられている。

【0041】

以上のように、二重関節機構１０は、出力歯車として太陽歯車４０をもつ内ウォームギア８０を備えた差動機構７０と、太陽歯車４０を入力軸、第１遊星歯車６０と第２遊星歯車６１を出力軸とするいわゆる２Ｋ－Ｈ型遊星歯車機構によって構成されている。第１遊星歯車６０と第２遊星歯車６１は同軸上に一体化して固定され、手先となる可動フレーム６２が取り付けられる。太陽歯車４０の回転運動は、中間遊星ピニオン５５を介して手先側に取り付けられた第１遊星歯車６０に伝達される。このとき、第１遊星歯車６０の回転（自転）に合わせて、第２遊星歯車６１は回転内軸３０に設けられた固定歯車３１の円周上を移動する（公転）。

【0042】

次に駆動ピニオンギア９０について説明する。なお、図４（Ａ）は駆動ピニオンギア９０の斜視図、図４（Ｂ）は駆動ピニオンギア９０の正面図、図５（Ａ）は図４（Ｂ）の５Ａ－５Ａ線断面図、図５（Ｂ）は図４（Ｂ）の５Ｂ－５Ｂ線断面図、図５（Ｃ）は図４（Ｂ）の５Ｃ－５Ｃ線断面図、図５（Ｄ）は駆動ピニオンギア９０の要部断面図である。

【0043】

図４（Ａ）～図５（Ｄ）に示すように、駆動ピニオンギア９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。駆動ピニオンギア９０の断面形状は平歯車の断面形状と一致している。これにより、駆動ピニオンギア９０は、その次の伝達先にある平歯車と噛み合うことができる。

【0044】

なお、実施例では、駆動ピニオンギア９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車としたが、これに限定されず、ウォームギアの進み角に一致したねじれ角を有するはすば歯車としてもよい。この場合、駆動ピニオンギア９０は、その次の伝達先にある、はすば歯車と噛み合うことができる。

【0045】

ここで、一般的な入力軸と出力軸が直交する差動機構では、入力軸及び出力軸のそれぞれに傘歯車が使用されているところ、傘歯車は平歯車と噛み合うことができない。このため、出力軸に設けられた傘歯車から次の平歯車へ伝えるためには、同じ出力軸に別途、平歯車を追加しなければならない。しかも、別途追加する平歯車は入力軸と衝突しないように配置する必要があり、傘歯車を使用した差動機構では大型になる。

【0046】

この点、本発明の駆動ピニオンギア９０は、平歯車、又は、はすば歯車に直接噛み合えるため、差動機構７０は内ウォームギア８０と駆動ピニオンギア９０との１対の歯車ペアのみで構成することができ、差動機構７０全体として小型化することができる。さらに、駆動ピニオンギア９０から、次の伝達要素に直接噛み合わせることができる。

【0047】

また、駆動ピニオンギア９０は、ホイール軸９１（図１参照）に回転可能に支持される環状部９４と、この環状部９４の外周に放射状に設けられた８個の歯９２と、を備えている。

【0048】

なお、実施例では、駆動ピニオンギア９０の歯９２の歯面９３は球面状のクラウニング歯面としたが、これに限定されず、歯面９３は円筒状の円筒歯面としてもよい。また、実施例では、駆動ピニオンギア９０の歯数を８個としたが、これに限定されず、６個、７個、９個、１０個などでもよく、内ウォームギア８０の直径と条数に応じて適宜変更してよい。これにより、減速比やバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。

【0049】

また、一般的に傘歯車が使用される差動機構では、その配置と減速比の間に強い制約がある。すなわち、ある減速比を得ようとすると、必然的に歯車と軸の配置が決定される。この点、本発明では、内ウォームギア８０の条数を変えたり、駆動ピニオンギア９０の歯数を変えたりしても、内ウォームギア８０の内側に駆動ピニオンギア９０が入りさえすれば、配置の制約がないので、配置の自由性が高く、しかも減速比を幅広く決定できる。

【0050】

次に内ウォームギア８０について説明する。なお、図６（Ａ）は内ウォームギア８０の基端側からの斜視図、図６（Ｂ）は内ウォームギア８０の先端側からの斜視図、図６（Ｃ）は内ウォームギア８０の正面図、図６（Ｄ）は基端側からの部分断面図、図６（Ｅ）は内ウォームギア８０の側面図、図７（Ａ）は図６（Ｅ）の７Ａ－７Ａ線断面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の７Ｂ－７Ｂ線断面図、図７（Ｃ）は図６（Ｄ）の７Ｃ－７Ｃ線断面図、図７（Ｄ）は図６（Ｄ）の７Ｄ－７Ｄ線断面図である。

【0051】

内ウォームギア８０は、円筒状を呈し、この円筒状の内側にｒ軸に沿ってらせん状に歯８１が形成されている。内ウォームギア８０の内径は、回転内軸（図１参照）の中間部の外径よりも大きい。内ウォームギア８０は、条数が２である。なお、実施例では、内ウォームギア８０の条数を２としたが、これに限定されず、条数を１や３以上などに変更してもよい。

【0052】

内ウォームギア８０の条数を１にするなど、進み角を小さくすることで、一般的なウォームギア同様に、セルフロックができる。内ウォームギア８０の条数を２以上とすることで、内ウォームギア８０の大きさを抑えつつ進み角を大きくすることができる。このように、内ウォームギア８０の条数に範囲を持たせることで、条数と内ウォームギア８０の直径に応じてバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。

【0053】

また、内ウォームギア８０は、回転部材８２（図１参照）に固定するための固定溝８４が形成されている。例えば、内ウォームギア８０の外周側から板状のナットを固定溝８４に入れて、回転部材８２側から締結部材で締結することで、回転部材８２に内ウォームギア８０が固定される。なお、固定方向はこれに限定されない。

【0054】

次に駆動ピニオンギア９０の歯９２のクラウニング量について説明する。なお、図８（Ａ）は、内ウォームギア８０と駆動ピニオンギア９０の噛み合い部分の断面図であり、図８（Ｂ）は図７（Ｄ）の部分拡大図であり、図８（Ｃ）は駆動ピニオンギア９０のピッチ円上の歯９２の断面図である。

【0055】

図５（Ｄ）、図８（Ａ）～図８（Ｃ）を参照する。例えば図８（Ａ）では、内ウォームギア８０と太陽歯車４０とは噛み合っているが、この太陽歯車４０を通常の平歯車のときは、それと噛み合うために駆動ピニオンギア９０の断面形状が平歯車の断面形状と一致することが１つの設計条件となる。

【0056】

すると、図８（Ａ）のような断面における、歯９２の厚みが決定される。この場合、ウォームホイール９０の基準ピッチ円上の歯９２の厚み t [mm]は、
t = m *π / 2
と決定される。ここで、mは歯のモジュールである。これは一般的な歯車の式である。ただし、図８（Ａ）の断面図の位置は正確ではなく、説明上、理解するためのものである。本来は円筒状の内ウォームギア８０のピッチ円筒面で断面をとるものとする。さらに、歯の厚み t は、図５（Ｄ）の基準ピッチ円上における長さとなる。

【0057】

次に、内ウォームギア８０の歯８１の進み角つるまき線の傾き角度α[deg]を求める。この角度は歯の条数 n 、歯８１のモジュールm [mm]、内ウォームギア８０のピッチ円筒面の直径 d [mm]で決定される。m は駆動ピニオンギア９０と同一のものである。例えば、n=1の場合、内ウォームギア８０が一周したときの、駆動ピニオンギア９０の円周方向の移動量b[mm]は１ピッチ移動する。すなわち、次のようになる。
b = π* m

【0058】

もしn=2であれば２ピッチ、n=3であれば３ピッチ移動するので、一周したときの移動量は、次のようになる。
b = π* m * n

【0059】

すると、ピッチ円筒面上のウォーム歯８１の歯すじの傾き角（進み角）αは次式として得られる。
α = arctan( b / (π* d) ) = arctan(π* m * n / (π* d) ) = arctan( m * n / d )

【0060】

これは、一周するときの横方向のスライド移動量π* d [mm]と、縦方向の送り量b [mm]によって形成される三角形の角度を意味する。

【0061】

次に、幾何学的に設計パラメータを算出する。決定したいパラメータは、歯幅w [mm]、クラウニング半径 r [mm]、及び内ウォームギア８０の谷の幅 s [mm]である。

【0062】

クラウニングの目的は、内ウォーム歯面とのなめらかな接触であり、図８（Ｃ）の接点Pは、歯幅w のいずれかの場所に有るべきである。つまり、次の関係になる。
h < w/2

【0063】

ここで、設計上限を求めるとすると、
h = w / 2
となる。するとクラウニング量r との関係は、
h = r sin(α) = w / 2
従って、
r = w / ( 2 * sin(α) )
ただし、r の最小値はt の半分であるので、次の条件を満たすものとする。
r >= t / 2

【0064】

もしr = t/2 であるならば、この駆動ピニオンギア９０の歯は円錐となる。t が固定のため、内ウォームギア８０の歯溝の幅を調整する必要がある。つまり、本来は、図９（Ｂ）の内ウォームギア８０の断面形状は、通常のラックギヤとは異なり、マイナスに転位された歯形状を持つべきであることを意味する。

【0065】

理論上の歯の溝の幅 u [mm]は、
u = π* m / 2
となり、ピッチ幅の半分を意味する。通常の歯車の場合、s = u が理論値となる。一方、本発明の内ウォームギア８０の歯の溝の幅s [mm]は、これまでの幾何学的な検討にもとづいて、
s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α)
となる。例えば、α=0、つまり進み角度が存在しない内ラックギヤの回転体の場合、s = t = π* m / 2 となり、s = u が得られる（これは歯を送ることができないことを意味する）。

【0066】

一方、通常の平歯車とラックギヤの距離を離すと、相対的にラックの歯溝の幅を広げたことと等価になる。従って、本発明の内ウォームギア８０と駆動ピニオンギア９０の場合も同様に距離を離すことで、わざわざ s に基づいた特殊な内ウォーム歯面を削らなくとも、噛み合いを可能にすることができる。このときの広げるべき幅 e [mm]は、
e = s － u
で得られ、片側の歯面のみを考えれば、e / 2 の歯溝の拡張が必要となる。

【0067】

ラックギアの歯の角度、歯圧角は20°であるので、内ウォームギア８０と駆動ピニオンギア９０との距離の増分 y [mm]は、以下のように表現される。
y = ( e / 2 ) / tan( 20°)

【0068】

まとめると次のようになる。
設定値は、モジュールm、条数n、内ウォームギアピッチ円筒内径 d、歯幅 wである。
歯の厚みt [mm] t = m *π / 2
傾き角α[rad] α = arctan( m * n / d )
クラウニング量r [mm] r < w / ( 2 * sin(α) )
ウォームギア歯溝幅 s[mm] s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α)
軸間距離の増分 y[mm] y = ( e / 2 ) / tan( 20°)

【0069】

ただし、内ウォームギアの歯先内径da = d － 2 * m、内ウォームホイールのピッチ円直径 Dp = z * mは、Dp < da である。

【0070】

次に比較例に係る関節機構の作用と本発明の実施例に係る二重関節機構の作用を説明する。

【0071】

図９（Ａ）は比較例に係る関節機構１００の作用を説明する模式図である。比較例に係る関節機構１００の内ウォーム差動機構は、回転内軸１３０と、円筒状に形成されて回転内軸１３０の外周を覆い且つ回転内軸１３０の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア１８０と、回転内軸１３０の軸直交方向に回転可能に設けられ駆動力を伝達するとともに内ウォームギア１８０に噛み合う駆動ピニオンギア１９０と、駆動ピニオンギア１９０に噛み合う遊星歯車１６０と、この遊星歯車１６０に一体的に設けられた出力アーム１６２と、を備えている。しかし、比較例に係る関節機構１００では、内ウォーム差動機構と出力アーム１６２との干渉を回避するため、出力アーム１６２の回転角を大きくとることができない。

【0072】

図９（Ｂ）は実施例に係る二重関節機構１０の作用を説明する模式図である。実施例に係る二重関節機構１０では、太陽歯車４０と第１遊星歯車６０との２つの回転軸をもつ二重関節を、遊星歯車機構を用いて実現している。すなわち、歯車伝達機構のみで回転関節の回転角を任意の倍率で拡大できるという、可動範囲の拡大を可能としている。これにより、ロボットアームの動作範囲の拡大が可能となる。

【0073】

次に二重関節機構１０のピッチ軸方向の作用について説明する。
図１０（Ａ）に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して、可動フレーム６２が左側に平行になる角度まで曲げられている。歯車回転用モータ７３を駆動させて可動フレーム６２を矢印（１）のように移動させる。

【0074】

図１０（Ｂ）に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して、可動フレーム６２が略直線状となる位置にある。歯車回転用モータ７３を駆動させて可動フレーム６２を矢印（２）のように移動させる。すると、図１０（Ｃ）に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して、可動フレーム６２が右側に平行になる角度まで曲げられている。このように、二重関節機構１０では、本体フレーム２０に対して可動フレーム６２を折り畳むことができる。

【0075】

次に二重関節機構１０のロール軸方向の作用について説明する。
図１１（Ａ）に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して、可動フレーム６２がロール軸回転方向において基準位置にある。軸回転用モータ７２を駆動させて回転内軸３０をロール軸回りに回転させ、手先側となる可動フレーム６２を矢印（３）のように回転させる。すると、図１１（Ｂ）に示すように、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に対して可動フレーム６２がロール軸回転方向において９０度回転した位置になる。

【0076】

次に二重関節機構１０の作用をコマ送りで説明する。
図１２（Ａ）～図１２（Ｉ）に示すように、図１２（Ａ）において二重関節機構１０では、本体フレーム２０に対して可動フレーム６２は左側に平行な位置にある。固定歯車３１に第２遊星歯車６１が噛み合っている。本体フレーム２０に対して可動フレーム６２を回転させると、図１２（Ｂ）～図１２（Ｈ）に示すように、可動フレーム６２が徐々に回転し、図１２（Ｉ）における二重関節機構１０のように本体フレーム２０に対して可動フレーム６２が右側に平行な位置に移動する。

【0077】

このように、大きな可動範囲を実現可能な直交回転２自由度を出力する差動機構として、本発明の二重関節機構１０は、内ウォームギア（内ウォームギア８０）、ピニオン（駆動ピニオンギア９０）、平歯車（太陽歯車４０）という３つの機構要素のみで実現されている。比較的小型で低誤差でありながら、歯数によって回転角を自由に設計することができる。これにより、ロボットの関節機構の可動範囲拡大による機構の小型化ができる。さらに、二重関節により、２つのリンクを平行に配置できる関節機構を設計でき、ロボットに使用した場合には関節折り畳み動作を実現し、設置面積（設置スペース）を小さくすることができる。

【0078】

次に二重関節機構１０をロボットアームに使用した例について説明する。
図１３（Ａ）に示すように、ロボットアームは折り畳まれた状態であり、第１アーム１１と第２アーム１２との間に二重関節機構１０が設けられており、さらに第２アーム１２と第３アームとの間にも二重関節機構１０が設けられている。関節を挟む２つのリンク（アーム）を平行になる角度まで曲げることができるので、ロボットアームを折り畳み、設置時の投影面積（占有面積）を小さくすることができ、収納性を向上させることができる。

【0079】

図１３（Ｂ）に示すように、ロボットアームは作業時の姿勢であり、第１アーム１１と第２アーム１２とが二重関節機構１０を介して開いた状態である。また第２アーム１２と第３アーム１３とが二重関節機構１０を介して開いた状態である。二重関節機構１０は、歯車により駆動力を伝達するので、他の周知技術のようなワイヤ駆動によるものや、空気圧駆動によるものに比較して、大きな力を伝達することができる。

【0080】

次に、以上に述べた二重関節機構１０の効果について説明する。

【0081】

本発明の実施例の構成において、二重関節機構１０は、本体フレーム２０に設けられた回転内軸３０と、固定歯車３１と、駆動ピニオンギア９０と、太陽歯車４０と、遊星キャリア５０と、中間遊星ピニオン５５と、第１遊星歯車６０と、第２遊星歯車６１と、可動フレーム６２と、を備えている。中間遊星ピニオン５５を有するいわゆる２Ｋ－Ｈ型遊星歯車機構により、入力となる太陽歯車４０と同じ方向に、第１遊星歯車６０及び第２遊星歯車６１を回転可能に支持する遊星キャリア５０を回転させている。このため、入力となる太陽歯車４０の回転角度θ１と、遊星キャリア５０を介した可動フレーム６２の回転角度θ２とを同じ方向にすることができる。遊星キャリア５０を介して２つの回転軸を持つ二重関節を、遊星歯車機構を用いて実現している。これにより、歯車伝達機構のみで「ある回転関節の回転角を任意の倍率で拡大できる」という可動範囲の拡大を可能にし、可動フレーム６２が設けられた第２遊星歯車６１から出力を取り出して手先側である可動フレーム６２の可動範囲を大きくできる二重関節機構となる。

【0082】

さらに、第１遊星歯車６０及び第２遊星歯車６１は、遊星キャリア５０にベアリングを介して回転可能に設けられているので、遊星キャリア５０に対する第１遊星歯車６０及び第２遊星歯車６１の回転を円滑にし、回転内軸３０に固定された固定歯車３１に第２遊星歯車６１を噛み合わせて第２遊星歯車６１から出力を取り出すことができる。

【0083】

さらに、遊星キャリア５０は、一端側の柄部５１と他端側の円環部５２とからなる虫メガネ形状に形成され、円環部５２の内側に第１遊星歯車６０が配置されているので、遊星キャリア５０のスペース内に第１遊星歯車６０を配置してスペースを有効に活用し関節機構の小型化を図ることができる。

【0084】

さらに、太陽歯車の歯数４０は、第１遊星歯車６０の歯数と同じであるので、中間遊星ピニオン５５を介して入力となる太陽歯車４０の回転角度θ１と、遊星キャリア５０を介した可動フレーム６２（第２遊星歯車６１）の回転角度θ２とを同じ方向にすることができ、遊星キャリア５０を介した可動フレーム６２の回転角度θ２を太陽歯車４０の回転角度θ１の２倍にすることができる。

【0085】

さらに、回転内軸３１は本体フレーム２０に回転可能に設けられている。駆動ピニオンギア９０を回転内軸３０の軸直交方向に回転可能に設け、本体フレーム２０に回転可能に設けられた回転内軸３０に固定歯車３１を一体的に設けたので、回転内軸３０をこの回転内軸３１の軸（縦軸）回りに回転させることで、固定歯車３１をねじる方向に回動することができる。結果、複数のモータを根本側に固定しながら、小型かつ手先側の可動範囲を大きくすることができる多自由度の関節機構を提供することができる。

【0086】

さらに、差動機構７０は、円筒状に形成されて回転内軸３０の外周を覆い且つ回転内軸３０の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア８０と、回転内軸３０にこの回転内軸３０の軸に対してねじれの位置で直交する軸まわりに回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合う駆動ピニオンギア９０と、を備えている。内ウォームギア８０は円筒状部分の内側にらせん状の歯が形成され、内ウォームギア８０の内側に駆動ピニオンギア９０が配置されているので、差動機構７０を小型化することができる。さらに、本発明では、内ウォームギア８０の外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。

【0087】

さらに、駆動ピニオンギア９０のピニオン（歯）の歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上において駆動ピニオンギア９０の軸に対して傾斜する内ウォームギア８０の歯面に滑らかに噛み合うことでき、且つ、伝達先の平歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。

【0088】

尚、本発明は、実施例では駆動ピニオンギア９０を駆動させるために内ウォームギア８０を用いたが、これに限定されず、内ウォームギア８０を使用せずに駆動ピニオンギア９０を直接モータで駆動させる形式や、モータから平歯車やはすば歯車を介して駆動ピニオンギア９０を駆動させてもよい。この場合、駆動ピニオンギア９０の歯形は噛み合う歯車の歯形に合わせればよい。

【0089】

また、実施例では太陽歯車４０の歯数と第１遊星歯車６０の歯数を同数にし、第１遊星歯車６０の回転角θ２を太陽歯車４０の回転角θ１の２倍となるように設定したが、これに限定されず、太陽歯車４０の歯数と第１遊星歯車６０の歯数を異なる数にして、太陽歯車４０の回転角θ１に対する第１遊星歯車６０の回転角θ２を０．５倍、１倍、３倍など、２倍以外となるように設定してもよい。

【0090】

また、実施例では回転内軸３１を本体フレーム２０に軸回転可能に設けたが、回転内軸３１を本体フレーム２０に軸回転可能とせずに設け、駆動ピニオンギア９０の回転入力に対して可動フレーム６２が遊星キャリア５０を介して二重のピッチ軸回転の回転出力を行うようにし、歯車伝達機構のみで可動フレーム６２の可動範囲を大きくできる二重関節機構としてもよい。

【0091】

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

【産業上の利用可能性】

【0092】

本発明は、差動機構と遊星歯車機構により駆動力を伝達して回動させる関節機構に好適である。

【符号の説明】

【0093】

１０…二重関節機構、２０…本体フレーム、３０…回転内軸、３１…固定歯車、４０…太陽歯車、５０…遊星キャリア、５５…中間遊星ピニオン、６０…第１遊星歯車、６１…第２遊星歯車、６２…可動フレーム、７０…差動機構、７１…駆動部、７２…軸回転用モータ、７２…歯車回転用モータ、８０…内ウォームギア、８１…内ウォームギアの歯、９０…駆動ピニオンギア（ウォームホイール）、９２…ウォームホイールの歯、９３…歯面（クラウニング歯面）。

【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】