特許 7601075 クォータニオンジョイント

(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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】クォータニオンジョイント

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/00 20060101AFI20241210BHJP

   F16H 37/12 20060101ALI20241210BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20241210BHJP

   B25J 17/02 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

B25J17/00 G

F16H37/12 Z

B25J11/00 D

B25J17/00 K

B25J17/02 D

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022169445

(22)【出願日】2022-10-21

(65)【公開番号】P2024061473

(43)【公開日】2024-05-07

【審査請求日】2024-05-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】西井 一敏

【審査官】松浦 陽

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１１２８９４７８０（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１９７４０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１０６６６８３３（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０２０２５５９（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１５４７８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－０４１０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】Yong-Jae Kim et.al.，Quaternion Joint: Dexterous 3-DOF Joint Representing Quaternion Motion for High-Speed Safe Interaction，Proc. of 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，米国，IEEE，2018年10月01日，pp.935-942

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２

Ｆ１６Ｈ ３７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１部材と、
該第１部材に、複数のリンクを介して、回動可能に連結された第２部材と、を備え、
前記第１及び第２部材の端面上に前記リンクの交点の軌道である半球形状を夫々形成し、該半球形状同士が該交点で接触しつつ、前記第２部材が回動するように前記リンクが配置されたクォータニオンジョイントであって、
前記第１部材の端面に揺動可能に設けられた複数の第１プーリと、
前記第１部材の端面に対向する前記第２部材の端面に、前記第１プーリに対応するように揺動可能に設けられた複数の第２プーリと、
前記第１プーリと該第１プーリに対応する前記第２プーリとの間に掛けられた複数のワイヤと、
を備え、
前記第１プーリの回転軸は、該第１プーリに対応する第２プーリの回転軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に回転した状態でオフセットしている、
クォータニオンジョイント。

【請求項2】

請求項１記載のクォータニオンジョイントであって、
前記第１プーリの回転軸は、該第１プーリに対応する第２プーリの回転軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしている、
クォータニオンジョイント。

【請求項3】

請求項１又は２記載のクォータニオンジョイントであって、
前記第１プーリと対応する前記第２プーリと間の中心間距離をＬ、前記第２プーリの回転軸と揺動軸との距離をａ、前記第１プーリの回転軸と揺動軸との距離をｂ、とし、
前記パラメータＬ、ａ、ｂは、下記拘束条件の式を満たすように設定されている、

【数3】

クォータニオンジョイント。

【請求項4】

請求項１又は２記載のクォータニオンジョイントであって、
前記第１プーリの回転軸は該第１プーリの揺動軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしており、前記第２プーリの回転軸は該第２プーリの揺動軸に対し前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしている、
クォータニオンジョイント。

【請求項5】

請求項１又は２記載のクォータニオンジョイントであって、
前記第１プーリの回転軸と該第１プーリの揺動軸とは、前記ワイヤが延在する方向へ並んで配置され、前記第２プーリの回転軸と該第２プーリの揺動軸とは、前記ワイヤが延在する方向へ並んで配置されている、
クォータニオンジョイント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クォータニオンジョイントに関する。

【背景技術】

【0002】

第１部材の端面に揺動可能に設けられた複数の第１プーリと、第１部材の端面に対向する第２部材の端面に、第１プーリに対応するように揺動可能に設けられた複数の第２プーリと、第１プーリと第１プーリに対応する第２プーリとの間に掛けられたワイヤと、を備えるクォータニオンジョイントが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

上記クォータニオンジョイントにおいて、第１プーリの回転軸と、第１プーリに対応する第２プーリの回転軸とは、平行に配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１９７４０７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記クォータニオンジョイントにおいて、複数のプーリを重ねた動滑車構造となるため（図２）、斜め掛けになるワイヤが存在する（図３）。斜め掛けになっているワイヤは、プーリから外れ易くなるため、ワイヤをガイドする部品が必要となる。このガイド部品によって、部品重量の増大に繋がる虞がある。また、プーリの２つの自由度を同軸上に配置する構造となっているため、機構の大型化を招く虞がある。

【0006】

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、部品重量を低減できつつ、機構を小型化できるクォータニオンジョイントを提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための本開示の一態様は、
第１部材と、
該第１部材に、複数のリンクを介して、回動可能に連結された第２部材と、を備え、
前記第１及び第２部材の端面上に前記リンクの交点の軌道である半球形状を夫々形成し、該半球形状同士が該交点で接触しつつ、前記第２部材が回動するように前記リンクが配置されたクォータニオンジョイントであって、
前記第１部材の端面に揺動可能に設けられた複数の第１プーリと、
前記第１部材の端面に対向する前記第２部材の端面に、前記第１プーリに対応するように揺動可能に設けられた複数の第２プーリと、
前記第１プーリと該第１プーリに対応する前記第２プーリとの間に掛けられた複数のワイヤと、
を備え、
前記第１プーリの回転軸は、該第１プーリに対応する第２プーリの回転軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に回転した状態でオフセットしている、
クォータニオンジョイント
である。
この一態様において、前記第１プーリの回転軸は、該第１プーリに対応する第２プーリの回転軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしていてもよい。
この一態様において、前記第１プーリと対応する前記第２プーリと間の中心間距離をＬ、前記第２プーリの回転軸と揺動軸との距離をａ、前記第１プーリの回転軸と揺動軸との距離をｂ、とし、前記パラメータＬ、ａ、ｂは、下記拘束条件の式を満たすように設定されていてもよい。

【数1】

この一態様において、前記第１プーリの回転軸は該第１プーリの揺動軸に対し、前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしており、前記第２プーリの回転軸は該第２プーリの揺動軸に対し前記ワイヤが延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしていてもよい。
この一態様において、前記第１プーリの回転軸と該第１プーリの揺動軸とは、前記ワイヤが延在する方向へ並んで配置され、前記第２プーリの回転軸と該第２プーリの揺動軸とは、前記ワイヤが延在する方向へ並んで配置されていてもよい。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、部品重量を低減できつつ、機構を小型化できるクォータニオンジョイントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係るクォータニオンジョイントの斜視図である。

【図2】プーリの２つの自由度を同軸上に配置する構成を示す図である。

【図3】斜め掛けになるワイヤが存在する構成を示す図である。

【図4】プーリの２つの自由度を同軸上に配置する従来の構成の図である。

【図5】本実施形態に係る第１及び第２プーリの配置を示す図である。

【図6】拘束条件のパラメータを示す図である。

【図7】拘束条件に従って各パラメータを設定したときの、中央リンク長とワイヤ長の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係るクォータニオンジョイントは、例えば、ロボットの手首関節などの関節部に搭載される。

【0011】

図１は、本実施形態に係るクォータニオンジョイントの斜視図である。クォータニオンジョイント１は、第１部材２と、第１部材２に、側面視で交差する複数のリンク３を介して、回動可能に連結された第２部材４と、を備えている。

【0012】

各リンク３の両端は、夫々、揺動機構５を介して、第１及び第２部材２、４の端面２１、４１に連結されている。揺動機構５は、相互に垂直で積み重なるように配置された２つの第１及び第２回転軸５１、５２を中心にリンク３を回動させることで、リンク３を任意の方向へ揺動させることができる。この揺動時に、リンク３同士の干渉を避けるように、各リンク３は屈曲している。

【0013】

クォータニオンジョイント１において、第１及び第２部材２、４の端面２１、４１上にリンク３の交点の軌道である仮想の半球形状を夫々形成し、半球形状同士が交点で接触しつつ、第２部材４が回動するように各リンク３が配置されている。

【0014】

なお、本実施形態において、リンク３の数は３つであるが、これに限定されず、上記動作条件を満たせば、例えば、２つあるいは４つ以上であってもよく任意の数で良い。

【0015】

第１部材２の端面２１には、４つの第１プーリ６が揺動機構７を介して取り付けられている。各第１プーリ６は、第１部材２の端面２１に、例えば、円周状に９０度の等間隔で夫々設けられている。揺動機構７は、第１プーリ６を保持するプーリ保持部７１と、プーリ保持部７１を貫通する揺動軸７２と、を有している。

【0016】

第１プーリ６は、揺動軸７２を中心に周方向へ揺動する。第１プーリ６は、複数のプーリを横に重ねた構造となっており、回転軸６１は、各プーリの中心を貫通している。第１プーリ６は、回転軸６１を中心に回転する。第１プーリ６の回転軸６１は、揺動軸７２に対して垂直に配置されている。

【0017】

すなわち、第１プーリ６の回転軸６１は揺動軸７２に対し、ワイヤ１１が延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしている。また、第１プーリ６の回転軸６１と揺動軸７２とは、ワイヤ１１が延在する方向へ積み重なるように並んで配置されている。

【0018】

第１部材２の端面２１に対向する第２部材４の端面４１には、第１プーリ６に対応するように４つの第２プーリ８が揺動機構９を介して取り付けられている。各第２プーリ８は、第２部材４の端面４１に、例えば、円周状に９０度の等間隔で夫々設けられている。揺動機構９は、第２プーリ８を保持するプーリ保持部９１と、プーリ保持部９１を貫通する揺動軸９２と、を有している。

【0019】

第２プーリ８は、揺動軸９２を中心に径方向へ揺動する。第２プーリ８は複数のプーリを横に重ねた構造となっており、回転軸８１は、各プーリの中心を貫通している。第２プーリ８は、回転軸８１を中心に回転する。第２プーリ８の回転軸８１は、揺動軸９２に対して垂直に配置されている。

【0020】

すなわち、第２プーリ８の回転軸８１は、揺動軸９２に対しワイヤ１１が延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットしている。また、第２プーリ８の回転軸８１と揺動軸９２とは、ワイヤ１１が延在する方向へ積み重なるように並んで配置されている。

【0021】

第１プーリ６と第１プーリ６に対応する第２プーリ８との間にはワイヤ１１が掛けられている。ワイヤ１１を引張することで、第１部材２に対し、複数のリンク３を介して、第２部材４をロール方向、ピッチ方向などの方向に回動させることができる。

【0022】

なお、第１及び第２プーリ６、８は、第１及び第２部材２、４の端面２１、４１に夫々４つ設けられているが、これに限定されない。第１及び第２部材２、４の端面２１、４１に設けられる第１及び第２プーリ６、８の数は、任意でよい。

【0023】

ところで、クォータニオンジョイントの２自由度の動作について、１つの自由度を動かしたときに、図２に示す如く、他方の自由度におけるワイヤ長Ｌ（プーリ間距離）が変化しないことが求められる。このため、従来、プーリ１００の２つの自由度を同軸上に配置する構成が採られている。

【0024】

また、複数のプーリ１００を重ねた動滑車構造となるため、図３に示す如く、従来、斜め掛けになるワイヤが存在する。ワイヤはテンションが掛ると最小距離である垂直状態に近づこうとする。このため、斜め掛けになっているワイヤはプーリ１００から外れ易くなるため、ワイヤをガイドする部品が必要となっている。これにより、部品重量の増大に繋がる虞がある。

【0025】

さらに、プーリ１００の２つの自由度を同軸上に配置する従来の構成は、図４（ａ）に示すと如く、ワイヤの干渉が発生し得る。この干渉を回避するために、例えば、図４（ｂ）に示すプーリ１００を片持ち構造で支持する構成が想定される。さらに、支持部材へのモーメント増大を抑制するために、図４（ｃ）に示す両持ち構造で支持する構成が想定される。これにより、機構の大型化を招く虞がある。

【0026】

これに対し、本実施形態に係るクォータニオンジョイント１において、図１に示す如く、第１プーリ６の回転軸６１は、第１プーリ６に対応する第２プーリ８の回転軸８１に対し、ワイヤ１１が延在する方向を中心に回転した状態でオフセットしている。

【0027】

これにより、図５に示す如く、クォータニオンジョイント１の２自由度の動作について、１つの自由度を動かしたときに、他方の自由度におけるワイヤ長Ｌ（プーリ間距離）が変化しないような配置をとることができる。

【0028】

また、この配置によって、上述のようなワイヤ１１の干渉を回避できることから、上述のようなプーリの片持ち構造や両持ち構造が不要となるため、機構を小型化できる。

【0029】

第１プーリ６の回転軸６１は、第１プーリ６に対応する第２プーリ８の回転軸８１に対し、ワイヤ１１が延在する方向を中心に、例えば、９０°回転した状態でオフセットしている。

【0030】

さらに、第１プーリ６の回転軸６１は、上述の如く、対応する第２プーリ８の回転軸８１に対し、ワイヤ１１が延在する方向を中心に９０°回転した状態でオフセットし、第１プーリ６と対応する第２プーリ８とは、互い違いに配置されている。なお、この９０°の範囲は、設計誤差などよる９０°前後の範囲も含むものとする。

【0031】

これにより、上述のようなワイヤ１１の斜め掛けが発生しないことから、上述のようなワイヤ外れを防ぐワイヤガイドが不要となる。したがって、部品重量を低減できる。すなわち、部品重量を低減できつつ、機構を小型化できる。

【0032】

なお、本実施形態において、第１プーリ６の回転軸６１は、第１プーリ６に対応する第２プーリ８の回転軸８１に対し、回転した状態でオフセットしているがこれに限定されず、第１及び第２プーリ６、８の形状、ワイヤ１１の捩じれなどを考慮して、例えば、８５°～９５°の範囲の角度でもよく、上述の配置ができ、ワイヤ１１の斜め掛けが発生しなければ、任意の角度でよい。

【0033】

続いて、上述したクォータニオンジョイント１における、リンク長にワイヤ長を追随させるための拘束条件について説明する。図６は、拘束条件のパラメータを示す図である。

【0034】

図６に示す如く、中央リンク３の傾き角をθ、第１プーリ６の回転軸６１と対応する第２プーリ８の回転軸８１と間の中心間距離をＬ、第２プーリ８の回転軸８１と揺動軸９２との距離をａ、第１プーリ６の回転軸６１と揺動軸７２との距離をｂ、とする。上記パラメータＬ、ａ、ｂを用いて、図６に示す幾何学的な関係から、下記拘束条件の式を導出できる。

【0035】

【数2】

【0036】

上記拘束条件の式を満たすように、各パラメータＬ、ａ、ｂを設定することで、上述したクォータニオンジョイント１において、中央リンク長にワイヤ長を追随させることができる。

【0037】

図７は、上記拘束条件に従って各パラメータＬ、ａ、ｂを設定したときの、中央リンク長とワイヤ長の変化を示す図である。なお、図７において、横軸はリンクの動作角ψ［ｄｅｇ］を示し、縦軸左はワイヤ長［ｍｍ］を示し、縦軸右は中央リンク長［ｍｍ］を示している。

【0038】

図７に示す如く、中央リンク長の変化に追随してワイヤ長が変化している。このため、リンク３の動作によるワイヤの伸び縮みを抑えることができる。

【0039】

本開示のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

１ クォータニオンジョイント、２ 第１部材、３ リンク、４ 第２部材、５ 揺動機構、６ 第１プーリ、７ 揺動機構、８ 第２プーリ、９ 揺動機構、１１ ワイヤ、２１ 端面、４１ 端面、５１ 回転軸、６１ 回転軸、７１ プーリ保持部、７２ 揺動軸、８１ 回転軸、９１ プーリ保持部、９２ 揺動軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】