特許 7372786 球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体

(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】

(24)【登録日】2023-10-24

(45)【発行日】2023-11-01

(54)【発明の名称】球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体

(51)【国際特許分類】

   F16C 11/06 20060101AFI20231025BHJP

   B25J 17/00 20060101ALI20231025BHJP

   F16C 11/10 20060101ALI20231025BHJP

【ＦＩ】

F16C11/06 L

B25J17/00 K

F16C11/10 F

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019159743

(22)【出願日】2019-09-02

(65)【公開番号】P2021038779

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】掃部 雅幸

(72)【発明者】

【氏名】柚木崎 創

(72)【発明者】

【氏名】烏山 純一

【審査官】糟谷 瑛

(56)【参考文献】

【文献】特表平０３－５０１４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４５５４７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ １１／０６－１１／１０

Ｆ１６Ｃ １７／１０

Ｂ２５Ｊ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボール部材と、
前記ボール部材と球面接触する内周面を有するソケットと、を備え、
前記ソケットは、前記内周面を形成し、開口部を有するケージ部と、前記ケージ部に設けられている接続部と、を有し、
前記ケージ部には、前記開口部の空間を小さくするように、かつ、前記ボール部材と当接しないように構成されている、締め付け部材が配置されていて、
前記開口部は、前記内周面のうち、最も荷重がかかる部分以外の部分に形成されており、
前記ケージ部が前記締め付け部材により締め付けられ、前記開口部に空間が生じている、球面継手。

【請求項2】

前記ソケットの前記ケージ部は、Ｃ字状に形成されていて、前記締め付け部材は、前記ケージ部の両端部を近接するように構成されている、請求項１に記載の球面継手。

【請求項3】

前記ソケットは、２以上に分割されていて、
前記締め付け部材は、分割されている前記ソケットを連結するように構成されている、請求項１に記載の球面継手。

【請求項4】

前記接続部は、棒状に形成されていて、
前記ソケットの前記内周面のうち、最も荷重がかかる部分は、前記接続部の延伸方向に位置する部分である、請求項１～３のいずれか１項に記載の球面継手。

【請求項5】

前記請求項１～４のいずれか１項に記載の球面継手を備える、ロボットの関節構造体。

【請求項6】

前記球面継手は、前記開口部が前記ロボットの外方に位置するように配置されている、請求項５に記載のロボットの関節構造体。

【請求項7】

人型ロボットの足首関節又は股関節に用いられる、請求項６に記載のロボットの関節構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットの関節構造に用いるための駆動機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている駆動機構は、例えば、人型ロボットの足首関節などの関節部を駆動させるためのものである。そして、当該駆動機構では、足首関節を構成する第１リンク部材の先端部と第２リンク部材の基端部とが球状継手（球面継手）によって連結されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】ＷＯ２０１７／０９４９２２

【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、上記特許文献１に開示されている駆動機構であっても、ロボットの荷重が球面継手にかかり、がたつきが生じるおそれがあった。具体的には、球面継手を構成するボール部材と球面接触するソケットの内周面が摩耗したり、ソケット内に充填されているグリスが切れたりすると、球面継手にがたつきが生じるおそれがあった。

【0005】

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、がたつきが生じると、ソケットの内周面の曲率半径を小さくすることで、ボール部材との接触面積を増大させて、がたつきを解消することができる、又はがたつきの発生を抑制することができる、球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体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】

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る球面継手は、ボール部材と、前記ボール部材と球面接触する内周面を有するソケットと、を備え、前記ソケットは、前記内周面を形成し、開口部を有するケージ部と、前記ケージ部に設けられている棒状の接続部と、を有し、前記ケージ部には、前記開口部の空間を小さくするように、かつ、前記ボール部材と当接しないように構成されている、締め付け部材が配置されていて、前記開口部は、前記内周面のうち、最も荷重がかかる部分以外の部分に形成されている。

【0007】

これにより、ボール部材とソケット内周面との間で、がたつきが生じても、がたつきを解消することができる、又はがたつきの発生を抑制することができる。

【0008】

また、本発明に係るロボットの関節構造体は、前記球面継手を備える。

【0009】

これにより、ボール部材とソケット内周面との間で、がたつきが生じても、がたつきを解消することができる、又はがたつきの発生を抑制することができる。

【0010】

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

【発明の効果】

【0011】

本発明の球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体によれば、ボール部材とソケット内周面との間で、がたつきが生じても、がたつきを解消することができる、又はがたつきの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本実施の形態１に係る関節構造体を備える、ロボットの概略構成を示す模式図である。

【図2】図２は、本実施の形態１に係る球面継手を備える、ロボットの関節構造体の概略構成を示す斜視図である。

【図3】図３は、図２に示す継手機構の背面図である。

【図4】図４は、図２に示す継手機構の側面図である。

【図5】図５は、図３に示す継手機構をＩＶ－ＩＶ線で切断した断面図である。

【図6】図６は、本実施の形態２に係る球面継手を有する継手機構の概略構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するための構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

【0014】

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る球面継手は、ボール部材と、ボール部材と球面接触する内周面を有するソケットと、を備え、ソケットは、内周面を形成し、開口部を有するケージ部と、ケージ部に設けられている棒状の接続部と、を有し、ケージ部には、開口部の空間を小さくするように、かつ、ボール部材と当接しないように構成されている、締め付け部材が配置されていて、開口部は、内周面のうち、最も荷重がかかる部分以外の部分に形成されている。

【0015】

また、本実施の形態１に係る球面継手では、ソケットのケージ部は、Ｃ字状又はＵ字状に形成されていて、締め付け部材は、ケージ部の両端部を近接するように構成されていてもよい。

【0016】

また、本実施の形態１に係る球面継手では、ソケットの内周面のうち、最も荷重がかかる部分は、接続部の延伸方向に位置する部分であってもよい。

【0017】

本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、前記いずれかの球面継手を備える。

【0018】

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、球面継手は、開口部がロボットの外方に位置するように配置されていてもよい。

【0019】

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、人型ロボットの足首関節又は股関節に用いられてもよい。

【0020】

以下、本実施の形態１に係る球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体の一例について、図１～図５を参照しながら説明する。

【0021】

［ロボットの構成］
まず、本実施の形態１に係る関節構造体を備える、ロボットの構成について、図１を参照しながら説明する。

【0022】

図１は、本実施の形態１に係る関節構造体を備える、ロボットの概略構成を示す模式図である。

【0023】

図１に示すように、ロボット２００は、胴体２０１と、頭２０２と、一対の腕２０３、２０３と、一対の脚２０４、２０４と、胴体２０１内に配置されている制御装置１１０と、を備えている。脚２０４は、後述する本実施の形態１に係る関節構造体１００を介して、胴体２０１の一部を構成する腰２０８に接続されていてもよい。

【0024】

［ロボットの関節構造体の構成］
図２は、本実施の形態１に係る球面継手を備える、ロボットの関節構造体の概略構成を示す斜視図である。なお、図２においては、ロボットの関節構造体における上下方向、前後方向、及び左右方向を図における上下方向、前後方向、及び左右方向として表している。

【0025】

図２に示すように、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００は、第１リンク１０、第２リンク２０、第１直動アクチュエータ３０Ａ、第２直動アクチュエータ３０Ｂ、及び関節部４０を備えている。

【0026】

第１リンク１０と第２リンク２０は、関節部４０を介して、回動自在に連結されている。そして、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、第１直動アクチュエータ３０Ａ及び第２直動アクチュエータ３０Ｂが進退動作をすることで、第２リンク２０が第１リンク１０に対して、相対的に揺動するように構成されている。

【0027】

なお、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、第１リンク１０がロボットの下肢部分を構成し、第２リンク２０がロボットの足の部分を構成し、関節部４０が足首の関節を構成する形態を採用しているが、これに限定されない。

【0028】

関節構造体１００は、例えば、第１リンク１０がロボットの胴体の下半身部分（腰部分）を構成し、第２リンク２０がロボットの大腿部分を構成し、関節部４０がロボットの股関節を構成する形態であってもよい。関節部４０がロボットの股関節を構成する形態では、図２に示す上下方向を反対にした構成となる。

【0029】

第１リンク１０は、箱状に形成されているフレーム部材１１と、短冊状に形成されている取り付け部材１２と、箱状に形成されているブロック部材１３と、を有している。取り付け部材１２は、フレーム部材１１における前面の下端部に設けられている。ブロック部材１３は、フレーム部材１１における後面の上端部に設けられている。

【0030】

また、第２リンク２０は、板状の第１部材２１と、柱状（ここでは、円柱状）の第２部材２２と、を有している。第２部材２２には、一対のフランジ部２３Ａ、２３Ｂが設けられている。

【0031】

第１リンク１０と第２リンク２０は、ブロック部材５０を介して接続されている。具体的には、ブロック部材５０は、前後方向に沿って延在する第１軸部材５１を介して、取り付け部材１２の後面の下端部に、回動自在に取り付けられている。また、ブロック部材５０は、一対のフランジ部２３Ａ、２３Ｂの間に配置されていて、これらの部材には、左右方向に沿って延在する第２軸部材５２が挿通されている。

【0032】

これにより、第２リンク２０は、第１リンク１０に対して、相対的にロール軸（第１軸部材５１）回りに、及びピッチ軸（第２軸部材５２）回りに揺動することができる。

【0033】

また、第１リンク１０のフレーム部材１１の左側面には、第１直動アクチュエータ３０Ａが配置されている。同様に、第１リンク１０のフレーム部材１１の右側面には、第２直動アクチュエータ３０Ｂが配置されている。なお、第２直動アクチュエータ３０Ｂは、第１直動アクチュエータ３０Ａと構成は同じであるため、その詳細な説明は省略する。

【0034】

第１直動アクチュエータ３０Ａは、ここでは、駆動モータ（サーボモータ）３１、筐体３２、ロッド部材３３、プーリ３４、及びベルト３５を有している。筐体３２の内部には、ボールねじ機構が配置されている（図示せず）。また、ボールねじ機構を構成するナットが、ロッド部材３３と接続されている。そして、第１直動アクチュエータ３０Ａは、駆動モータ３１の回転が、プーリ３４及びベルト３５を介して、ボールねじ機構に伝達されて、ロッド部材３３が、筐体３２に対して、相対的に進退駆動するように構成されている。なお、第１直動アクチュエータ３０Ａは、上記構成に限定されず、公知の種々の直動アクチュエータを用いることができる。

【0035】

また、第１直動アクチュエータ３０Ａの基端部（筐体３２の上端部）は、左右方向に沿って延在する第３軸部材５３により、ブロック部材１３に回動自在に接続されている。第１直動アクチュエータ３０Ａの先端部（ロッド部材３３の下端部）には、関節部４０が接続されている。

【0036】

関節部４０は、第１リンク部材１、第２リンク部材２、及び第３リンク部材３を有している。なお、第２直動アクチュエータ３０Ｂの先端部に接続されている関節部４０は、第１直動アクチュエータ３０Ａの先端部に接続されている関節部４０と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。

【0037】

第１リンク部材１の先端部は、左右方向に沿って延在する第５軸部材５５により、フレーム部材１１の下部に回動自在に接続されている。また、第１リンク部材１の後端部は、Ｕ字状に形成されていて、ロッド部材３３を左右方向から挟むように配置されている。そして、第１リンク部材１の後端部には、左右方向に沿って延在する第４軸部材５４が挿通されている。

【0038】

第２リンク部材２は、筒状に形成されていて、上端部と下端部のそれぞれには、本実施の形態１に係る球面継手６０が配置されている（図３～図５参照）。なお、以下においては、第２リンク部材２と、当該第２リンク部材２の両端部に配置されている球面継手６０と、から構成される機構を継手機構４１と称することもある。また、継手機構４１（球面継手６０）の詳細な説明は後述する。

【0039】

継手機構４１の上端部は、Ｕ字状に形成されているロッド部材３３の後端部の内部空間に配置されている。換言すると、ロッド部材３３の後端部は、継手機構４１の上端部を左右方向から挟むように配置されている。また、上述したように、第１リンク部材１の後端部は、ロッド部材３３の後端部を左右方向から挟むように配置されている。

【0040】

また、継手機構４１の上端部及びロッド部材３３の後端部には、第４軸部材５４が挿通されている。換言すると、第４軸部材５４は、第１リンク部材１の後端部、ロッド部材３３の後端部、及び継手機構４１の上端部を挿通するように配置されている。

【0041】

継手機構４１の下端部は、Ｕ字状に形成されている第３リンク部材３の上端部の内部空間に配置されている。換言すると、第３リンク部材３の上端部は、継手機構４１の下端部を左右方向から挟むように配置されている。また、継手機構４１の下端部及び第３リンク部材３の上端部には、第６軸部材５６が挿通されている。さらに、第３リンク部材３の下端部は、第２リンク部材２の第２部材２２に接続されている。

【0042】

上記構成により、関節部４０は、第１直動アクチュエータ３０Ａ及び第２直動アクチュエータ３０Ｂが、ともに、伸長動作をする、又は退縮動作をすることにより、第２リンク２０が第１リンク１０に対して、相対的にピッチ軸（第２軸部材５２）回りに揺動させることができる。また、関節部４０は、第１直動アクチュエータ３０Ａ及び第２直動アクチュエータ３０Ｂのうち、一方の直動アクチュエータが、伸長動作をし、他方の直動アクチュエータが退縮動作をすることにより、第２リンク２０が第１リンク１０に対して、相対的にロール軸（第１軸部材５１）回りに揺動させることができる。

【0043】

［継手機構の構成］
次に、継手機構４１の構成について、図２～図５を参照しながら説明する。

【0044】

図３は、図２に示す継手機構の背面図である。図４は、図２に示す継手機構の側面図である。図５は、図３に示す継手機構をＩＶ－ＩＶ線で切断した断面図である。

【0045】

図３～図５に示すように、継手機構４１は、第２リンク部材２、及び球面継手６０を備えていて、球面継手６０は、適宜な手段により、第２リンク部材２に固定されている。例えば、第２リンク部材２の内周面と後述する球面継手６０の接続部６２Ｂの外周面にねじが切られていて、球面継手６０は、第２リンク部材２にねじ止めされていてもよい。また、例えば、球面継手６０は、第２リンク部材２に溶接により固定されていてもよい。

【0046】

球面継手６０は、ボール部材６１、ソケット６２、及び締め付け部材６３を有している。ボール部材６１は、球状に形成されている。また、本実施の形態１においては、ボール部材６１には、関節構造体１００における左右の側面が切りかかれていて、平面が形成されている。また、ボール部材６１には、左右方向に延びるように貫通孔６１Ａが形成されていて、貫通孔６１Ａには、第４軸部材５４又は第６軸部材５６が挿通されている。

【0047】

ソケット６２は、ボール部材６１と球面接触する内周面が形成されている、ケージ部６２Ａと、ケージ部６２Ａの外周面から延びるように形成されている、棒状の接続部６２Ｂと、を有する。

【0048】

また、ケージ部６２Ａには、スリット状に形成されている、開口部６Ｃが設けられている。換言すると、ケージ部６２Ａは、Ｃ字状（又はＵ字状）に形成されている。開口部６Ｃは、内周面のうち、最も荷重がかかる部分以外の部分に形成されている。

【0049】

ここで、内周面のうち、最も荷重がかかる部分は、接続部６２Ｂの延伸方向に位置する部分であってもよい。また、内周面の内、最も荷重がかかる部分は、第１直動アクチュエータ３０Ａ（第２直動アクチュエータ３０Ｂ）のロッド部材３３の進退方向（関節部４０における上下方向）に位置する部分であってもよい。

【0050】

なお、球面継手６０は、開口部６Ｃがロボット２００の外方に位置するように配置されていてもよい。具体的には、ロボット２００が人型ロボットである場合に、球面継手６０は、開口部６Ｃが前方又は後方に位置するように、ロボット２００に配置されていてもよい。また、ロボット２００が人型ロボットである場合に、球面継手６０は、開口部６Ｃが左方又は右方に位置するように、ロボット２００に配置されていてもよい。

【0051】

また、開口部６Ｃは、接続部６２Ｂの延伸方向に対して垂直な方向に位置するように、ケージ部６２Ａに形成されていてもよい。

【0052】

さらに、ケージ部６２Ａの開口部６Ｃを形成する両端部には、後部に延びるように、突起部６Ａ、６Ｂが設けられている。突起部６Ａ、６Ｂは、ケージ部６２Ａの外周面から突出するように設けられている。また、突起部６Ａ、６Ｂには、上下方向に延びるように、かつ、ケージ部６２Ａの内周面と連通しないように、貫通孔が設けられていて、当該貫通孔には、締め付け部材６３が嵌挿されている。

【0053】

締め付け部材６３は、突起部６Ａ、６Ｂを近接させることで、開口部６Ｃの空間体積を小さくすることができる。これにより、ケージ部６２Ａの内周面の曲率半径を小さくすることができる。

【0054】

また、締め付け部材６３は、ボール部材６１と当接しないように構成されている。これにより、ボール部材６１の移動が制限されることがない。

【0055】

このように構成されている、本実施の形態１に係る球面継手６０及びそれを備えるロボットの関節構造体１００では、開口部６Ｃの空間を小さくする、締め付け部材６３が、ケージ部６２Ａの突起部６Ａ、６Ｂに配置されている。

【0056】

これにより、ケージ部６２Ａの内周面が摩耗したり、ソケット６２内に充填されているグリスが切れたりして、球面継手にがたつきが生じても、締め付け部材６３により、ケージ部６２Ａの内周面の曲率半径を小さくすることで、がたつきを解消することができる。また、がたつきが発生する前に、締め付け部材６３により、ケージ部６２Ａの内周面の曲率半径を小さくすることで、がたつきの発生を抑制することができる。

【0057】

また、本実施の形態１に係る球面継手６０及びそれを備えるロボットの関節構造体１００では、締め付け部材６３は、ボール部材６１と当接しないように構成されている。これにより、ボール部材６１の移動が制限されることがない。

【0058】

さらに、本実施の形態１に係る球面継手６０及びそれを備えるロボットの関節構造体１００では、開口部６Ｃがロボット２００の外方に位置するように配置されている。

【0059】

これにより、突起部６Ａ、６Ｂが、ロボット２００の動作に干渉することを抑制することができる。また、締め付け部材６３に容易にアクセスすることができるので、ロボット２００（球面継手６０）のメンテナンス作業を容易に実行することができる。

【0060】

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る球面継手は、実施の形態１に係る球面継手において、ソケットが、２以上に分割されていて、締め付け部材は、分割されているソケットを連結するように構成されている。

【0061】

以下、本実施の形態２に係る球面継手の一例について、図５を参照しながら説明する。

【0062】

図６は、本実施の形態２に係る球面継手を有する継手機構の概略構成を示す断面図である。

【0063】

図６に示すように、本実施の形態２に係る球面継手６０は、実施の形態１に係る球面継手６０と基本的構成は同じであるが、ソケット６２が２以上（ここでは、２つ）に分割されている点が異なる。具体的には、ソケット６２のケージ部６２Ａが上下に分割されている。

【0064】

また、本実施の形態２に係る球面継手６０では、ケージ部６２Ａの前部にも、前方に突出するように、突起部６Ａ、６Ｂが設けられていて、当該突起部６Ａ、６Ｂの間に開口部６Ｃが設けられている。さらに、前方の突起部６Ａ、６Ｂにも、締め付け部材６３が配置されている。

【0065】

なお、本実施の形態２においては、ケージ部６２Ａの前部と後部の両方に、開口部６Ｃを設ける形態を採用しているが、いずれか一方にのみ、開口部６Ｃを設ける形態を採用してもよい。

【0066】

このように構成されている、本実施の形態２に係る球面継手６０であっても、実施の形態１に係る球面継手６０と同様の作用効果を奏する。

【0067】

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本発明の球面継手及びそれを備えるロボットの関節構造体は、がたつきを解消することができる、又はがたつきの発生を抑制することができるため、有用である。

【符号の説明】

【0069】

１ 第１リンク部材
２ 第２リンク部材
３ 第３リンク部材
６Ａ 突起部
６Ｂ 突起部
６Ｃ 開口部
１０ 第１リンク
１１ フレーム部材
１２ 取り付け部材
１３ ブロック部材
２０ 第２リンク
２１ 第１部材
２２ 第２部材
２３Ａ フランジ部
２３Ｂ フランジ部
３０Ａ 第１直動アクチュエータ
３０Ｂ 第２直動アクチュエータ
３１ 駆動モータ
３２ 筐体
３３ ロッド部材
３４ プーリ
３５ ベルト
４０ 関節部
４１ 継手機構
５０ ブロック部材
５１ 第１軸部材
５２ 第２軸部材
５３ 第３軸部材
５４ 第４軸部材
５５ 第５軸部材
５６ 第６軸部材
６０ 球面継手
６１ ボール部材
６１Ａ 貫通孔
６２ ソケット
６２Ａ ケージ部
６３ 締め付け部材
１００ 関節構造体
１１０ 制御装置
２００ ロボット
２０１ 胴体
２０２ 頭
２０３ 腕
２０４ 脚
２０８ 腰

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】