JP2013014004A

JP2013014004A - 関節装置

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Publication number: JP2013014004A
Application number: JP2012232950A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kimura; 真一木村; Shu Yamauchi; 周山内
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: JP2009113195A; JP5435676B2

Abstract

【課題】１関節に２自由度を有し、確実な動作を実現するスリムな関節装置を提供する。
【解決手段】関節装置１０は、アーム１の端部とアーム２の端部とが互いに可動自在に連結する。そして、第２交差歯車４と第５及び第６歯車４３・４４を備える。第２交差歯車４は、関節部１ｊに配置される。又、第２交差歯車４は、第１非円形歯車４１と第２非円形歯車４２が輪郭中心を共有する。第１及び第２非円形歯車４１・４２は、非円形の平歯車となっている。第１非円形歯車４１と第２非円形歯車４２とは、十字状に交差している。第１非円形歯車４１と噛み合う第５歯車４３がアーム１に設けられる。第２非円形歯車４２と噛み合う第６歯車４４がアーム２に設けられる。第５歯車４３を回転するとアーム２に対して、アーム１を可動できる。第６歯車４４を回転するとアーム１に対して、アーム２を可動できる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、関節装置に関する。特に、ロボット、又はマニピュレーターなどに用いられる関節装置の構造に関する。

ロボットは、人間に類似した動作や形態を有し、コンピュータ制御により複雑な動作を自動化している。産業用ロボットは、物品を搬送又は移載することを主用途としており、多関節型、円筒・極座標型、直交座標型などに分類されている。この内、関節装置を連設した多関節型の産業用ロボットは、動作範囲が大きいという利点があるため、広く利用されている。

上述した産業用ロボットの関節装置としては、固定アームと従動アームが関節部で連結されており、固定アームに対して従動アームが屈折するように回動する産業用ロボットの関節装置が発明されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１による関節装置は、関節部にハイポイドギア（食違い歯車）と波動歯車装置（調和減速機）を配置しており、固定アームに内蔵されたモータを駆動すると、ハイポイドギアの原動歯車（小歯車）が従動歯車（大歯車）に回転を伝達し、更に波動歯車装置で減速されて、従動アームを回動するように構成している。

特許文献１は、ハイポイドギアの原動歯車に回転軸を両端支持しているので、精度と信頼性が高い産業用ロボットの関節装置を提供できると、している。又、特許文献１は、「このような関節装置は、モジュール化されているので、各種の組み合わせが可能である。」と記載している。すなわち、この関節装置を連設して多関節型の産業用ロボットを実現できることを示唆している。

一方、マニピュレーターは、人間の手の構造を模した機械を遠隔から操作して、人間の代わりに作業ができる。マニピュレーターは、人間が立ち入ることが困難な放射線下、又は高温下での作業を可能としている。

例えば、関節装置をモジュール化したモジュール型マニピュレーターは、人間が接近困難な宇宙空間での作業を容易とする。モジュール型マニピュレーターに設けられた複数の関節装置を協調的に動作させ、これらの関節装置を自律分散的に制御すれば、宇宙空間での複雑な変化に柔軟に対応できる。

上述したモジュール型マニピュレーターとしては、関節部において旋回と斜行の２自由度をもつ関節装置が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１による関節装置は、一方のアームの端部と他方のアームの端部が関節部において、傾斜して連結している。一方のアームの端部と他方のアームの端部は、一対の中空の半球体同士が球体を形成するように関節部を覆っている。

この球体には、一方のアームの半球体に固定された波動歯車装置付きモータを内蔵している。そして、他方のアームの半球体に固定された傾斜軸（ロータ）を前記モータが回転できるように構成されている。この傾斜軸は、他方のアームの軸中心に対して傾斜しているので、前記モータを駆動すると、他方のアームの端末を旋回できる。つまり、この関節装置は、円筒・極座標型のロボットとなっている。

又、他方のアームは、二重管構造となっており、内管に固定された波動歯車装置付きモータが外管を回転させる構造となっている。そして、一方のアームの端末とこの他方のアームの端末を接続して関節装置を連設すれば、複雑な動作が可能なモジュール型マニピュレーターを実現できる。

特開昭５９−２０１７８７号公報

木村真一（ＳｈｉｎｉｃｈｉＫｉｍｕｒａ）他３名共著、「ＦａｕｌｔＡｄａｐｔｉｖｅＫｉｎｅｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｓｉｎｇＭｕｌｔｉｐｒｏｃｅｓｓｏｒＳｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＨｙｐｅｒ−ｒｅｄｕｎｄａｎｔＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．５、２００１、ｐ５４０−５４２、Ｆｉｇ２、Ｆｉｇ３

特許文献１による関節装置は、一対のアームの回動角度を精度よく動作できるという利点がある。しかし、特許文献１による関節装置は、１関節に１自由度しか有しておらず、関節装置を連設して多関節装置を構成しても、いたずらに多関節装置を長くするだけであり、限られた空間で複雑で多様な動作を実現することは困難である。

１関節に２自由度を有する関節装置を連設して多関節装置を構成すれば、全体として自由度が倍増し、限られた空間で障害物を迂回するなど、複雑で多様な動作を実現することも容易である。

非特許文献１による関節装置は、１関節に２自由度を有しており、この関節装置を利用したモジュール型マニピュレーターは、全体として自由度が多く、複雑で多様な動作を実現できる。又、アームに内蔵されたモータを制御することにより、一対のアームの回動角度を精度よく動作できる。

しかし、非特許文献１による関節装置は、関節部にモータを内蔵しており、このモータがダイレクトにアームを旋回しているので、アームを旋回させるために大きなトクルが必要となれば、必然的にモータの外形が大きくなり、全体として胴径の小さいスリムなモジュール型マニピュレーターを実現することは、困難である。スリムなモジュール型マニピュレーターを実現できれば、限られた空間で障害物を迂回するなど、複雑で多様な動作を実現することも容易である。つまり、スリムなモジュール型マニピュレーターを実現可能な関節装置が望まれる。

例えば、消化管の内部検査に使用される内視鏡は、スリムで自由度の多い多関節装置を実現している。しかし、この内視鏡は、先端部に設けられたレンズで拡大された対象部の画像をモニターで確認しながら、手許操作部で動作させているので、動作を正確に制御できないという問題がある。

又、上述した関節装置は、例えば、瞬断などで動作が停止したときに、出力側からの外力で一対のアームの停止時の姿勢が保持できないという問題もある。出力側からの外力で一対のアームの停止時の姿勢が保持できれば、つまり、出力側からの動力が入力側に伝達することなく維持される不可逆な機構を備える関節装置が実現できれば、リセットすることなく動作を再開できる。そして、以上のことが本発明の課題といってよい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、１関節に２自由度を有し、確実な動作を実現するスリムな関節装置を提供することを目的とする。又、本発明は、前述の関節装置が出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備える関節装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、一対の歯車を十字状に交差した交差歯車を関節部に配置し、この交差歯車に第１及び第２アームに設けられた各歯車が噛み合って自走するように構成し、更に、各歯車に不可逆な伝動装置を設けることにより、上記の課題が解決可能なことを見出し、これに基づいて、以下のような新たな関節装置を発明するに至った。

（１）一方のアームの端部と他方のアームの端部とが互いに可動自在に連結する関節装置であって、関節部に配置する第１交差歯車であって、第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１歯車と第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２歯車とが中心を共有し、かつ前記第１円周を含む第１平面と前記第２円周を含む第２平面とが直交する第１交差歯車と、前記一方のアームに設けられて前記第１歯車と噛み合う第３歯車と、前記他方のアームに設けられて前記第２歯車と噛み合う第４歯車と、を備える関節装置。

（１）の発明による関節装置は、一方のアームの端部と他方のアームの端部とが互いに可動自在に連結している。そして、第１交差歯車と第３及び第４歯車を備えている。第１交差歯車は、関節部に配置されている。又、第１交差歯車は、第１歯車と第２歯車とが中心を共有している。第１歯車は、第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。第２歯車は、第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。更に、第１円周を含む第１平面と第２円周を含む第２平面とが直交している。

又、（１）の発明による関節装置は、第３歯車が一方のアームに設けられており、第１歯車と噛み合っている。第４歯車が他方のアームに設けられており、第２歯車と噛み合っている。

ここで、第１から第４歯車は、軸に対して歯筋が平行な平歯車であってよく、歯形が円の伸開線となるインボリュート（ｉｎｖｏｌｕｔｅ）歯車であってもよい。又、第１から第４歯車は、歯面が螺旋曲面で形成された「はすば歯車（ｈｅｌｉｃａｌｇｅａｒ）」であってよく、インボリュートはすば歯車であってよく、歯幅の中央で歯筋の向きを反対に変えた「やまば歯車（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅｇｅａｒ）」、又はダブルヘリカルギア（ｄｏｕｂｌｅｈｅｌｉｃａｌｇｅａｒ）であってもよい。やまば歯車は、大きな動力を効率よく静粛に伝達するのに適している。

第１及び第２円周は、ピッチ円であってよく、歯先円であってもよく、歯元円であってもよい。第１及び第２円周に歯筋が直交する場合は、平歯車となりえる。第１及び第２円周に歯筋が斜交する場合は、「はすば歯車」、又は「やまば歯車」となりえる。第１円周と第２円周は、同じであってよく、異なってもよい。

第１歯車は第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けるとは、第１円周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設けることを必ずしも意味しない。第１歯車は、第３歯車と噛み合って機能するが、後述するように第３歯車の運動は、実態として限定される。したがって、例えば、第１歯車は、第１円周の略半周に亘り、等間隔に限定的に複数の歯を設けてもよい。この場合、半月状の第１歯車の半円弧外周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよく、半月状の第１歯車の円弧外周に、１８０度以下に開角する劣弧の範囲で等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよい。円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける歯車は、（１）の発明による第１歯車に全て含まれる。

同様に、第２歯車は第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けるとは、第２円周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設けることを必ずしも意味しない。第２歯車は、第４歯車と噛み合って機能するが、後述するように第４歯車の運動は、実態として限定される。したがって、例えば、第２歯車は、第２円周の略半周に亘り、等間隔に限定的に複数の歯を設けてもよい。この場合、半月状の第２歯車の半円弧外周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよく、半月状の第２歯車の円弧外周に、１８０度以下に開角する劣弧の範囲で等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよい。円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける歯車は、（１）の発明による第２歯車に全て含まれる。

第１歯車と第２歯車とは、一方の歯車が大歯車であって他方の歯車が小歯車であってよく、同じであってもよい。第１歯車と第２歯車とは、円周ピッチ（ピッチ円上で測った隣接する歯の間の距離）が同じであってよく、異なってもよい。第１歯車の歯と第２歯車の歯とが重なり合う部位は、いずれか一方の歯が形成されてよく、双方の歯が形成されなくてもよい。

一般に、歯車とは、組をなす歯車伝動装置を意味しているが、交差歯車（第１交差歯車及び後述する第２交差歯車を含む）は、歯車伝動装置を意味しない、新たな概念により規定される単体であり、機械要素である。交差歯車は、２軸が相交わる歯車の組み合わせである「交差軸歯車」とは異なっている。ここで、交差歯車は、カム装置における球面カムのように機能し、相手側歯車の軌跡を規定する。

第１歯車と第３歯車は、歯車伝動装置を構成している。第３歯車を回転させる力が付与されることにより、第１歯車と第３歯車が相対移動する。この場合、第１歯車が固定歯車となり、第３歯車が可動歯車となり、第３歯車が第１歯車に噛み合って自走する。ここで、第３歯車の中心は、第１歯車の軸中心を中心とする公転軌跡を描くことができる。

同様に、第２歯車と第４歯車は、歯車伝動装置を構成している。第４歯車を回転させる力が付与されることにより、第２歯車と第４歯車が相対移動する。この場合、第２歯車が固定歯車となり、第４歯車が可動歯車となり、第４歯車が第２歯車に噛み合って自走する。ここで、第４歯車の中心は、第２歯車の軸中心を中心とする公転軌跡を描くことができる。

第１歯車と第３歯車は、一方の歯車が大歯車であって他方の歯車が小歯車であってよく、同じであってもよい。第１歯車を大歯車とし、第３歯車を小歯車に設定すれば、一方のアームを低いトルクで回動できる。

同様に、第２歯車と第４歯車は、一方の歯車が大歯車であって他方の歯車が小歯車であってよく、同じであってもよい。第２歯車を大歯車とし、第４歯車を小歯車に設定すれば、他方のアームを低いトルクで回動できる。

（１）の発明による関節装置は、一方のアームの伸長方向と他方のアームの伸長方向とが直交配置されてよく、第３歯車を回転すれば、他方のアームに対して、一方のアームを可動できる。第４歯車を回転すれば、一方のアームに対して、他方のアームを可動できる。第３及び第４歯車に適宜な方向変換機構を連結すれば、一方のアームの伸長方向と他方のアームの伸長方向とを同軸上に配置することもできる。このように、（１）の発明による関節装置は、１関節に２自由度を有する関節装置を実現できる。

周知のとおり、歯車伝動装置は、歯面同士のすべり接触によって確実な伝動を得ることができる。一般に、歯車伝動装置は、原動車（入力）が従動車（出力）に回転を伝動するが、（１）の発明による関節装置は、第３歯車又は第４歯車の自転（入力）運動が第１交差歯車で規定される公転（出力）運動に変換される。この場合、公転軌跡は、歯車の噛み合いにより、確実に移動することができる。すなわち、（１）の発明による関節装置は、確実な動作を実現できる。

又、（１）の発明による関節装置は、関節部にモータを備えていないので、スリムな関節装置を実現できる。第１交差歯車は、理論的には無限に小さくでき、一方のアームの端部と他方のアームの端部が交差する関節部に内蔵することも可能であり、少なくとも関節部を膨張させる必然性はない。第３歯車又は第４歯車を回転させるアクチュエータの大きさ如何によっては、極細の関節装置も実現できると考えられる。

（２）前記一方のアームは、前記第３歯車と同軸上に配列する第１ウォーム歯車と、この第１ウォーム歯車と噛み合う第１ウォームと、を有し、前記他方のアームは、前記第４歯車と同軸上に配列する第２ウォーム歯車と、この第２ウォーム歯車と噛み合う第２ウォームと、を有する（１）記載の関節装置。

（２）の発明による関節装置は、一方のアームが第１ウォーム歯車と第１ウォームを有している。又、他方のアームが第２ウォーム歯車と第２ウォームを有している。第１ウォーム歯車は、第３歯車と同軸上に配列している。第１ウォームは、第１ウォーム歯車と噛み合っている。第２ウォーム歯車は、第４歯車と同軸上に配列している。第２ウォームは、第２ウォーム歯車と噛み合っている。

第１及び第２ウォームは、小歯車であってよく、ねじ歯車であってよく、大歯車である第１及び第２ウォーム歯車に噛み合うウォーム歯車装置を構成する。ウォーム歯車装置は、２軸が互いに平行でもなく、又相交わることもしない、食違い歯車に分類されている。ウォーム歯車装置は、２軸が空間上に直交しているが交わらない。

ウォーム歯車装置は、ウォームを原動車としてよく、従動車であるウォーム歯車の回転がウォームに伝動しない不可逆な機構となっている。そして、ウォーム歯車装置に代わる不可逆な機構は、（２）の発明に全て含まれる。

第１ウォームを回転すると、第１ウォームの回転が第１ウォーム歯車に伝動される。第３歯車は、第１ウォーム歯車の回転に同期して回転してよく、第１交差歯車に従動されて、他方のアームに対して一方のアームを移動させる。第１ウォームを回転停止すると、第１ウォームと第１ウォーム歯車とは、相互にロックされる。すなわち、第１ウォーム歯車からの動力が第１ウォームに伝達することなく、一対のアームの停止時の姿勢が保持される。

同様に、第２ウォームを回転すると、第２ウォームの回転が第２ウォーム歯車に伝動される。第４歯車は、第２ウォーム歯車の回転に同期して回転してよく、第１交差歯車に従動されて、一方のアームに対して他方のアームを移動させる。第２ウォームを回転停止すると、第２ウォームと第２ウォーム歯車とは、相互にロックされる。すなわち、第２ウォーム歯車からの動力が第２ウォームに伝達することなく一対のアームの停止時の姿勢が保持される。

（２）の発明による関節装置は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備える関節装置を提供できる。

（３）前記一方のアームは、前記第１ウォームを回転する第１モータを有し、前記他方のアームは、前記第２ウォームを回転する第２モータを有する（２）記載の関節装置。

第１及び第２モータは、ステップ角度が細分化でき、確実な角運動ができるステッピングモータが好ましい。

（４）前記第１交差歯車は、前記第１歯車の中心軸方向に延びて前記第２歯車の両翼に外在する第１回動軸と、前記第２歯車の中心軸方向に延びて前記第１歯車の両翼に外在する第２回動軸と、を有し、前記一方のアームは、前記第１回動軸の両端部を回動可能に支持する第１支持端末を有し、前記他方のアームは、前記第２回動軸の両端部を回動可能に支持する第２支持端末を有する（１）から（３）のいずれかに記載の関節装置。

一方のアーム又は他方のアームは、筒状に形成されることが好ましく、丸パイプを含んでよく、角パイプを含んでよい。アーム内に部品（要素）を実装するために、パイプを分割（半割）してもよく、部品を実装した後に分割されたパイプを結合してもよい。

（５）一方のアームの端部と他方のアームの端部とが互いに可動自在に連結する関節装置であって、関節部に配置する第２交差歯車であって、所定の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１非円形歯車と所定の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２非円形歯車とが輪郭中心を共有し、かつ第１ピッチ曲線を含む第３平面と前記第２ピッチ曲線を含む第４平面とが直交する第２交差歯車と、前記一方のアームに設けられて前記第１非円形歯車と噛み合う第５歯車と、前記他方のアームに設けられて前記第２非円形歯車と噛み合う第６歯車と、を備える関節装置。

（５）の発明による関節装置は、一方のアームの端部と他方のアームの端部とが互いに可動自在に連結している。そして、第２交差歯車と第５及び第６歯車を備えている。第２交差歯車は、関節部に配置されている。又、第２交差歯車は、第１非円形歯車と第２非円形歯車とが輪郭中心を共有している。

第１非円形歯車は、所定の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。第２非円形歯車は、所定の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。更に、第１ピッチ曲線を含む第３平面と第２ピッチ曲線を含む第４平面とが直交している。

又、（５）の発明による関節装置は、第５歯車が一方のアームに設けられており、第１非円形歯車と噛み合っている。第６歯車が他方のアームに設けられており、第２非円形歯車と噛み合っている。

（１）の発明において、第１歯車と第１歯車に噛み合う第３歯車の速比ｒ_１３（第１歯車の角速度ω１／第３歯車の角速度ω３）は、一定である。同様に、第２歯車と第２歯車に噛み合う第４歯車の速比ｒ_２４（第２歯車の角速度ω２／第４歯車の角速度ω４）は、一定である。このように、両歯車の速比が一定の場合は、両歯車のピッチ円の中心間距離は不変（一定）である。

例えば、楕円又は対数螺旋の輪郭がピッチ曲線となる変位歯車を通常の歯車と噛み合わせれば、両歯車の中心間距離が回転中に変化する（速比が変化する）不定速歯車を実現できる。この場合は、特別な場合を除いて、ピッチ曲線又は外形が円形を成さないので、「非円形歯車」と、呼ばれている。ピッチ曲線又は外形が円形を成す歯車は、「円形歯車」とは呼ばれず、単に「歯車」と呼ばれている。

すなわち、（５）の発明による関節装置は、第１交差歯車の第１歯車及び第２歯車を第１非円形歯車及び第２非円形歯車に代えている。ここで、第１及び第２非円形歯車は、例えば、楕円の外径をピッチ曲線としてよく、楕円の短半径と長半径の交点を第１非円形歯車及び第２非円形歯車の輪郭中心とすることができる。

この楕円形状の第１及び第２非円形歯車は、短半径同士が交差してよく、長半径同士が交差してよく、短半径と長半径が交差してよく、いずれの場合も（５）の発明による第２交差歯車に含まれる。

第１及び第２非円形歯車は、楕円又は対数螺旋の輪郭がピッチ曲線となる非円形歯車に限定されない。ピッチ円周の特定の劣弧が凹凸状になる板カムの輪郭をピッチ曲線とする非円形歯車も（５）の発明に含まれる。この板カム状の非円形歯車の優弧のピッチ円周の中心を輪郭中心とすることができる。

ここで、第５及び第６歯車は、軸に対して歯筋が平行な平歯車が好ましく、第１及び第２非円形歯車より歯数が同じ又は少ない小歯車が好ましい。

第１非円形歯車は、所定の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けるとは、第１ピッチ曲線の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設けることを必ずしも意味しない。第１非円形歯車は、第５歯車と噛み合って機能するが、第３歯車と同様に第５歯車の運動は、実態として限定される。

したがって、例えば、第１非円形歯車は、第１ピッチ曲線の略半周に亘り、等間隔に限定的に複数の歯を設けてもよい。この場合、半月状の第１非円形歯車の半曲面外周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよく、半月状の第１非円形歯車の曲面外周に、１８０度以下に開角する劣弧の範囲で等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよい。非円形のピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける非円形歯車は、（５）の発明による第１非円形歯車に全て含まれる。

同様に、第２非円形歯車は、所定の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けるとは、第２ピッチ曲線の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設けることを必ずしも意味しない。第２非円形歯車は、第６歯車と噛み合って機能するが、第４歯車と同様に第６歯車の運動は、実態として限定される。

したがって、例えば、第２非円形歯車は、第２ピッチ曲線の略半周に亘り、等間隔に限定的に複数の歯を設けてもよい。この場合、半月状の第２非円形歯車の半曲面外周の全てに亘り、等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよく、半月状の第２非円形歯車の曲面外周に、１８０度以下に開角する劣弧の範囲で等間隔に複数の歯を設ける態様を含んでよい。非円形のピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける非円形歯車は、（５）の発明による第２非円形歯車に全て含まれる。

第１非円形歯車と第５歯車は、歯車伝動装置を構成している。第５歯車を回転させる力が付与されることにより、第１非円形歯車と第５歯車が相対移動する。この場合、第１非円形歯車が固定歯車となり、第５歯車が可動歯車となり、第５歯車が第１非円形歯車に噛み合って自走する。ここで、第５歯車の中心は、第１非円形歯車の第１ピッチ曲線に倣う（追従する）公転軌跡を描くことができる。

同様に、第２非円形歯車と第６歯車は、歯車伝動装置を構成している。第６歯車を回転させる力が付与されることにより、第２非円形歯車と第６歯車が相対移動する。この場合、第２非円形歯車が固定歯車となり、第６歯車が可動歯車となり、第６歯車が第２非円形歯車に噛み合って自走する。ここで、第６歯車の中心は、第２非円形歯車の第２ピッチ曲線に倣う（追従する）公転軌跡を描くことができる。

（５）の発明による関節装置は、一方のアームの伸長方向と他方のアームの伸長方向とが直交配置されてよく、第５歯車を回転すれば、他方のアームに対して、一方のアームを可動できる。第６歯車を回転すれば、一方のアームに対して、他方のアームを可動できる。第５及び第６歯車に適宜な方向変換機構を連結すれば、一方のアームの伸長方向と他方のアームの伸長方向とを同軸上に配置することもできる。このように、（５）の発明による関節装置は、１関節に２自由度を有する関節装置を実現できる。

（５）の発明による関節装置は、第１及び第２非円形歯車と第５及び第６歯車とは、カム装置を構成しているということもできる。ここで、カム曲線を有する第１及び第２非円形歯車が従動節であってよく、カム曲線に接触して転動する第５及び第６歯車が動節であってよく、（５）の発明による関節装置は、動節と従動節の関係が反対になった「反対カム」を構成しているということもできる。

周知のとおり、カム装置は、カム曲線に追従する従動節の位置（瞬間中心）を変えること、及び従動節の速度又は加速度を変えることができる。つまり、従動節の位置、速度、又は加速度はカム曲線に依存している。一方で、第２交差歯車は、歯車伝動装置を構成しているので、例えば、（５）の発明による関節装置は、一方のアームと他方のアームとが鈍角から閉じるときは、駆動車となる第５及び第６歯車が低いトルクで駆動でき、一方のアームと他方のアームとが鈍角から開くときは、駆動車となる第５及び第６歯車を高いトルクで駆動する関節装置を実現できる。

（６）前記一方のアームは、前記第５歯車と同軸上に配列する第１ウォーム歯車と、この第１ウォーム歯車と噛み合う第１ウォームと、を有し、前記他方のアームは、前記第６歯車と同軸上に配列する第２ウォーム歯車と、この第２ウォーム歯車と噛み合う第２ウォームと、を有する（５）記載の関節装置。

（６）の発明による関節装置は、一方のアームが第１ウォーム歯車と第１ウォームを有している。又、他方のアームが第２ウォーム歯車と第２ウォームを有している。第１ウォーム歯車は、第５歯車と同軸上に配列している。第１ウォームは、第１ウォーム歯車と噛み合っている。第２ウォーム歯車は、第５歯車と同軸上に配列している。第２ウォームは、第２ウォーム歯車と噛み合っている。

ウォーム歯車装置は、ウォームを原動車としてよく、従動車であるウォーム歯車の回転がウォームに伝動しない不可逆な機構となっている。そして、ウォーム歯車装置に代わる不可逆な機構は、（６）の発明に全て含まれる。

第１ウォームを回転すると、第１ウォームの回転が第１ウォーム歯車に伝動される。第５歯車は、第１ウォーム歯車の回転に同期して回転してよく、第２交差歯車に従動されて、他方のアームに対して一方のアームを移動させる。第１ウォームを回転停止すると、第１ウォームと第１ウォーム歯車とは、相互にロックされる。すなわち、第１ウォーム歯車からの動力が第１ウォームに伝達することなく、一対のアームの停止時の姿勢が保持される。

同様に、第２ウォームを回転すると、第２ウォームの回転が第２ウォーム歯車に伝動される。第６歯車は、第２ウォーム歯車の回転に同期して回転してよく、第２交差歯車に従動されて、一方のアームに対して他方のアームを移動させる。第２ウォームを回転停止すると、第２ウォームと第２ウォーム歯車とは、相互にロックされる。すなわち、第２ウォーム歯車からの動力が第２ウォームに伝達することなく一対のアームの停止時の姿勢が保持される。

（６）の発明による関節装置は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備える関節装置を提供できる。

（７）前記一方のアームは、前記第１ウォームを回転する第１モータを有し、前記他方のアームは、前記第２ウォームを回転する第２モータを有する（６）記載の関節装置。

（８）前記第２交差歯車は、前記第１非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて前記第２非円形歯車の両翼に外在する第３回動軸と、前記第２非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて前記第１非円形歯車の両翼に外在する第４回動軸と、を有し、前記一方のアームは、前記第３回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第３支持端末を有し、前記他方のアームは、前記第４回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第４支持端末を有する（５）から（７）のいずれかに記載の関節装置。

（８）の発明による関節装置は、第２交差歯車が第３回動軸と第４回動軸とを有している。第３回動軸は、第１非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて、第２非円形歯車の両翼に外在している。第４回動軸は、第２非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて、第１非円形歯車の両翼に外在している。そして、一方のアームは、第３回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第３支持端末を有している。他方のアームは、第４回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第４支持端末をしている。

第３及び第４回動軸の両端部を離間が困難に支持する手段は、後述する付勢部材であってよく、付勢部材に並列に後述する衝撃吸収部材を設けてもよい。

（９）前記第２交差歯車は、前記第５歯車及び前記第６歯車の歯面を前記第１非円形歯車及び前記第２非円形歯車の歯面に当接する力を付勢する付勢部材を備える（５）から（８）のいずれかに記載の関節装置。

第５歯車及び第６歯車と第１非円形歯車及び第２非円形歯車との組み合わせをカム装置として捉えると、第５歯車及び第６歯車の歯面と第１非円形歯車及び第２非円形歯車の歯面の接触は機構学的には、拘束されていない。したがって、第５歯車及び第６歯車の歯面を第１非円形歯車及び第２非円形歯車の歯面に当接する力を付勢する付勢部材を設けることにより、第５歯車及び第６歯車の運動に確実性をもたせることができる。

（１０）前記付勢部材は、引張りコイルばねからなり、前記第２交差歯車は、前記第５歯車及び前記第６歯車の歯面を前記第１非円形歯車及び前記第２非円形歯車の歯面に円滑に追従させる衝撃吸収部材を備える（９）記載の関節装置。

衝撃吸収部材は、例えばショックアブソーバであってよく、引張りコイルばねの不要なダンピングを防止できる。

（１１）前記第２交差歯車は、前記第１非円形歯車又は前記第２非円形歯車のいずれか一方が第３円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第７歯車からなる（５）から（１０）のいずれかに記載の関節装置。

（１２）（１）から（１１）のいずかに記載の関節装置を連設する多関節装置。

（１３）（１）から（１１）のいずかに記載の関節装置を備えるロボット。

（１４）（１２）記載の多関節装置を備えるロボット。

（１５）第３ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１固定歯車、及び第４ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２固定歯車を有する交差固定歯車であって、前記第３ピッチ曲線を含むＸ平面と前記第４ピッチ曲線を含むＹ平面とが直交するように交差する交差固定歯車と、前記第１固定歯車と噛み合って前記Ｘ平面に第１回転中心が所定の軌跡を描く第１自走歯車と、前記第２固定歯車と噛み合って前記Ｙ平面に第２回転中心が所定の軌跡を描く第２自走歯車と、を備える交差歯車装置。

（１５）の発明による交差歯車装置は、交差固定歯車と第１自走歯車及び第２自走歯車を備えている。交差固定歯車は、第１固定歯車と第２固定歯車を有している。第１固定歯車は、第３ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。第２固定歯車は、第４ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。そして、第３ピッチ曲線を含むＸ平面と第４ピッチ曲線を含むＹ平面とが直交するように交差している。

第１自走歯車は、第１固定歯車と噛み合って、Ｘ平面に第１自走歯車の第１回転中心が所定の軌跡を描くことができる。第２自走歯車は、第２固定歯車と噛み合って、Ｙ平面に第２自走歯車の第２回転中心が所定の軌跡を描くことができる。

例えば、歯車列とは、複数の歯車を順次に噛み合わせて、これらの回転軸をリンクで適宜に連結したものと、定義されている。歯車列は、動力の伝達又は回転数の増減などに用いられている。一般的な歯車列は、全ての歯車が平面運動をするが、複数のかさ歯車を立体的に組み合わせて、動力の伝達又は回転数の増減する自動車の差動歯車装置なども、歯車列の範疇に含まれるとされている。

一組の歯車列に注目すると、一般的な歯車列は、一組の歯車の回転中心が空間に固定され、一方の歯車が原動車であり、他方の歯車が従動車となるように構成されている。又、一般的な歯車列と異なる別の歯車列としては、一方の歯車が空間に固定され、他方の歯車を原動車として、他方の歯車の回転中心が運動するように構成している。

（１５）の発明による交差歯車装置は、後者の一組の歯車列を含んでおり、第１固定歯車が空間に固定され、第１自走歯車の回転中心が運動するように構成している。又、第２固定歯車が空間に固定され、第２自走歯車の回転中心が運動するように構成している。

ところで、（１５）の発明による交差歯車装置は、第１ピッチ曲線を含むＸ平面と第２ピッチ曲線を含むＹ平面とが直交するように交差する構成が一般的な歯車列と異なっている。（１５）の発明による交差歯車装置は、一般的な歯車列の範疇に含まれない特殊歯車列を構成している、ということもできる。

（１５）の発明による交差歯車装置は、前述したかさ歯車を使用する差動歯車装置とも異なっている。差動歯車装置は、従動車が遊星歯車であるのに対し、交差歯車装置は、原動車が遊星歯車になっている。差動歯車装置は、原動車によって駆動される一対の従動車の内、一方の従動車を停止しても他方の従動車を原動車から駆動できる。交差歯車装置は、交差固定歯車に対して駆動する一対の原動車がそれぞれ独立して運動できる。

ここで、第１固定歯車の第３ピッチ曲線は、第１歯車のピッチ円周、又は第１非円形歯車の第１ピッチ曲線のいずれか一方を含むことができる。又、第２固定歯車の第４ピッチ曲線は、第２歯車のピッチ円周、又は第２非円形歯車の第２ピッチ曲線のいずれか一方を含むことができる。Ｘ平面は、第１平面又は第３平面のいずれか一方を含むことができる。Ｙ平面は、第２平面又は第４平面のいずれか一方を含むことができる。

第１固定歯車が第１歯車であって、第２固定歯車が第２歯車であって、第１歯車と第２歯車が中心を共有してよく、更に、第１自走歯車及び第２自走歯車が第３歯車及び第４歯車であってよく、（１）の発明による関節装置を実現できる。

又、第１固定歯車が第１非円形歯車であって、第２固定歯車が第２非円形歯車であって、第１非円形歯車と第２非円形歯車が輪郭中心を共有してよく、更に、第１自走歯車及び第２自走歯車が第５歯車及び第６歯車であってよく、（５）の発明による関節装置を実現できる。

（１５）の発明による交差歯車装置は、第１固定歯車と第２固定歯車が中心又は輪郭中心を共有することに限定されない。第１固定歯車の輪郭中心に対して第２固定歯車の輪郭中心が偏心してよく、第２固定歯車の輪郭中心に対して第１固定歯車の輪郭中心が偏心してよく、交差歯車装置を利用して、関節装置以外にも様々な応用が展開されると考えられる。

（１６）前記第１固定歯車及び前記第２固定歯車は、円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける固定歯車からなる（１５）記載の交差歯車装置。

（１７）前記第１固定歯車及び前記第２固定歯車は、所定の閉曲線からなるピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける非円形固定歯車からなる（１５）記載の交差歯車装置。

（１７）の発明による交差歯車装置は、第１自走歯車と第２自走歯車とが相互に独立して、所要の軌跡を描いて運動する新たな装置が展開されると期待される。

本発明による関節装置は、１関節に２自由度を有し、確実な動作を実現するスリムな関節装置を提供できる。又、本発明による関節装置は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく維持される不可逆な機構を備える関節装置が実現できる。本発明による関節装置を応用した多関節装置は、複雑で多様な動作を実現することが容易である。

本発明による関節装置の一実施形態を示す要部の斜視図である。前記実施形態による関節装置を示す要部の正面図である。前記実施形態による関節装置に備わる第１交差歯車の正面図である。前記実施形態による関節装置に備わる第１交差歯車の斜視外観図である。前記実施形態による関節装置の斜視外観図である。前記実施形態による関節装置の平面図である。前記実施形態による関節装置の縦断面図である。前記実施形態による関節装置の縦断面図であり、他方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。前記実施形態による関節装置の縦断面図であり、一方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。別の実施形態による関節装置の一実施形態を示す要部の正面図であり、第２交差歯車に備わる第１及び第２非円形歯車が楕円形状となっている。別の実施形態による関節装置の一実施形態を示す要部の正面図であり、第２交差歯車に備わる第１及び第２非円形歯車が板カム状となっている。図１０に示された第１非円形歯車の正面図である。図１１に示された第１非円形歯車の正面図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明による関節装置の一実施形態を示す要部の斜視図である。図２は、前記実施形態による関節装置を示す要部の正面図である。図３は、前記実施形態による関節装置に備わる第１交差歯車の正面図である。図４は、前記実施形態による関節装置に備わる第１交差歯車の斜視外観図である。

図５は、前記実施形態による関節装置の斜視外観図である。図６は、前記実施形態による関節装置の平面図である。図７は、前記実施形態による関節装置の縦断面図である。図８は、前記実施形態による関節装置の縦断面図であり、他方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。図９は、前記実施形態による関節装置の縦断面図であり、一方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。

図１０は、別の実施形態による関節装置の一実施形態を示す要部の正面図であり、第２交差歯車に備わる第１及び第２非円形歯車が楕円形状となっている。図１１は、別の実施形態による関節装置の一実施形態を示す要部の正面図であり、第２交差歯車に備わる第１及び第２非円形歯車が板カム状となっている。図１２は、図１０に示された第１非円形歯車の正面図である。図１３は、図１１に示された第１非円形歯車の正面図である。

最初に、本発明の実施形態による関節装置の構成を説明する。図５から図７において、関節装置１０は、一方のアーム１の端部と他方のアーム２の端部とが互いに可動自在に連結している。関節装置１０は、第１交差歯車３と第３及び第４歯車１３・１４を備えている。第１交差歯車３は、関節部１ｊに配置されている。

図１に示されるように、第１交差歯車３は、第１歯車３１と第２歯車３２とが中心を共有している。第１歯車３１は、ピッチ円となる第１円周に等間隔に複数の歯３１ａを設けている。第２歯車３２は、ピッチ円となる第２円周に等間隔に複数の歯３２ａを設けている。第１円周を含む仮想の第１平面Ａ１と、第２円周を含む仮想の第２平面Ａ２とが直交している（図４参照）。

図５から図７に示されるように、第３歯車１３は、アーム１に設けられている。第４歯車１４は、アーム２に設けられている。第３歯車１３は、第１歯車３１と噛み合っている。第４歯車１４は、第２歯車３２と噛み合っている。

又、図５から図７において、アーム１は、第１ウォーム歯車１５と第１ウォーム１６を有している。アーム２は、第２ウォーム歯車１７と第２ウォーム１８を有している。第１ウォーム歯車１５は、第３歯車１３と同軸上に配列している。第１ウォーム１６は、第１ウォーム歯車１５と噛み合っている。第２ウォーム歯車１７は、第４歯車１４と同軸上に配列している。第２ウォーム１８は、第２ウォーム歯車１７と噛み合っている。

図５から図７において、アーム１は、第１モータ１ｍを有している。第１モータ１ｍの出力軸は、第１ウォーム１６に直結している。第１モータ１ｍを駆動すると、第１ウォーム１６を回転できる。アーム１は、第１モータ１ｍの制御する制御回路（実体としてプリント基板）１ｃを収容している。

図５から図７において、アーム２は、第２モータ２ｍを有している。第２モータ２ｍの出力軸は、第２ウォーム１８に直結している。第２モータ２ｍを駆動すると、第２ウォーム１８を回転できる。アーム２は、第２モータ２ｍの制御する制御回路（実体としてプリント基板）２ｃを収容している。

図５から図７において、第１交差歯車３は、第１回動軸３１ｓと第２回動軸３２ｓを有している。第１回動軸３１ｓは、第１歯車３１の中心軸方向に延びて、第２歯車３２の両翼に外在している。第２回動軸３２ｓは、第２歯車３２の中心軸方向に延びて、第１歯車３１の両翼に外在している。なお、図１から図４において、第１及び第２回動軸３１ｓ・３２ｓは、図示を省略している。

図５から図７において、アーム１は、外管１ａと内管１ｂで構成された二重管となっている。同様に、アーム２は、外管２ａと内管２ｂで構成された二重管となっている。そして、内管１ｂは、第１回動軸３１ｓの両端部を回動可能に支持する一対の第１支持端末１ｄ・１ｄを有している。内管２ｂは、第２回動軸３２ｓの両端部を回動可能に支持する一対の第１支持端末２ｄ・２ｄを有している（図９参照）。

次に、本発明の実施形態による関節装置の構成を補足しながら、作用を説明する。図示の実施形態では、第１及び第２歯車３１・３２と第３及び第４歯車１３・１４は、最も一般的な平歯車を使用したが、「はすば歯車」であってもよく、「やまば歯車」であってもよい。

図１に示されるように、第１歯車３１と第３歯車１３とは、歯車伝動装置を構成している。同様に、第２歯車３２と第４歯車１４とは、歯車伝動装置を構成している。図３及び図４に示された実施形態では、第１歯車３１と第２歯車３２とは、ピッチ円と円周ピッチが同一の平歯車を示している。第１歯車３１の歯３１ａと第２歯車３２の歯３２ａとが重なり合う部位は、第２歯車３２の歯３２ａが形成されているが、この実施形態に限定されない。

図１において、第１歯車３１が固定歯車であって、第３歯車１３が可動歯車である。第３歯車１３を回転させる力が付与されることにより、第１歯車３１と第３歯車１３が相対移動する。この場合、第３歯車１３が第１歯車３１に噛み合って自走する。ここで、第３歯車１３の中心Ｑ１は、第１歯車３１の軸中心を中心とする公転軌跡Ｋ１を描くことができる（図２参照）。

同様に、図１において、第２歯車３２が固定歯車であって、第４歯車１４が可動歯車である。第４歯車１４を回転させる力が付与されることにより、第２歯車３２と第４歯車１１４が相対移動する。この場合、第４歯車１４が第２歯車３２に噛み合って自走する。ここで、第４歯車１３の中心Ｑ２は、第１歯車３１の軸中心を中心とする公転軌跡（図示せず）を描くことができる。

ここで、本発明の実施形態による第１交差歯車は、新規な伝動機構の概念を提供する。一般に、歯車とは、組をなす歯車伝動装置を意味しており、原動車の回転及び動力が従動車に伝動されるが、この第１交差歯車と平歯車の組み合わせは、原動車である平歯車の回転及び動力が第１交差歯車で規定されて自走する（運動）する。自走可能な歯車伝動装置としては、ラックピニオンが考えられるが、ラックによって規定されるピニオンの自走運動は、直線運動に限定される。この第１交差歯車と平歯車の組み合わせは、平歯車の自走による円弧軌跡を描くことができる。

図１において、アーム１の中心軸を第３歯車１３の中心Ｑ１と同軸となるように配置し、アーム２の中心軸を第３歯車１４の中心Ｑ２と同軸となるように配置すれば、アーム１の伸長方向とアーム２の伸長方向とが直交配置される関節装置も可能である。

前述の場合、アーム１の中心軸を第３歯車１３の中心Ｑ１と同軸となるように配置し、アーム２の中心軸を第３歯車１４の中心Ｑ２と直交する方向と同軸となるように配置し、かつ、アーム１の中心軸とアーム２の中心軸が同一平面上に存在するように直交配置すれば、人体の体躯と上腕をつなぐ肩関節に類似した、鋭角に屈折可能な関節装置１０も実現できる。このような、一方のアームと他方のアームとが鋭角に屈折可能な関節装置を適宜に組み合わせれば、従来には無い効果的なロボットも実現でき、第１交差歯車が広く応用されることが期待できる。

図示の実施形態で示された関節装置１０は、アーム１の伸長方向とアーム２の伸長方向が同軸上に配置している。関節装置１０は、第３歯車１３を回転すれば、アーム２に対して、アーム１を可動できる（図９参照）。第４歯車１４を回転すれば、アーム１に対して、アーム２を可動できる（図８参照）。このように、本発明による関節装置１０は、１関節に２自由度を有する関節装置を実現できる。

又、発明による関節装置１０は、第３歯車１３又は第４歯車１４の自転運動が第１交差歯車３で規定される公転運動に変換される。この場合、公転軌跡は、歯車の噛み合いにより、確実に移動することができるので、関節装置１０は、確実な動作を実現できる。

次に、発明による関節装置の動作を説明する。図５において、第１ウォーム１６を回転すると、第１ウォーム１６の回転が第１ウォーム歯車１５に伝動される。第３歯車１３は、第１ウォーム歯車１５の回転に同期して回転する。そして、第３歯車１３は、第１交差歯車３の第１歯車３１に従動されて、アーム２に対してアーム１を移動させる（図９参照）。

図５において、モータ１ｍの回転を停止すると、第１ウォーム１６と第１ウォーム歯車１５とは、相互にロックされる。すなわち、第１ウォーム歯車１５からの動力が第１ウォーム１６に伝達することなく、一対のアーム１・２の停止時の姿勢が保持される（図９参照）。

同様に、図５において、第２ウォーム１８を回転すると、第２ウォーム１８の回転が第２ウォーム歯車１７に伝動される。第４歯車１４は、第２ウォーム歯車１７の回転に同期して回転する。そして、第４歯車１４は、第１交差歯車３の第２歯車３２に従動されて、アーム１に対してアーム２を移動させる（図８参照）。

図５において、モータ２ｍの回転を停止すると、第２ウォーム１８と第２ウォーム歯車１７とは、相互にロックされる。すなわち、第２ウォーム歯車１７からの動力が第２ウォーム１８に伝達することなく、一対のアーム１・２の停止時の姿勢が保持される（図８参照）。

このように、本発明による関節装置は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備え、リセットすることなく動作を再開可能な関節装置を提供できる。

又、本発明による関節装置１０は、関節部１ｊにモータを備えていないので、スリムな関節装置を実現できる。第１交差歯車３は、理論的には無限に小さくでき、一方のアームの端部と他方のアームの端部が交差する関節部に内蔵することも可能であり、少なくとも関節部を膨張させる必然性はない。図７に示された実施形態では、伸縮性のカバー１ｈで関節部１ｊを覆っているが、防塵や保護のためであり、環境によってはカバー１ｈを取り除くことも可能である。

本発明の実施形態による関節装置１０は、第３歯車又は第４歯車を回転させるアクチュエータの大きさ如何によっては、極細の関節装置も実現できると考えられる。

次に、本発明の別の実施形態による関節装置の構成を説明する。図５から図７において、関節装置１０は、一方のアーム１の端部と他方のアーム２の端部とが互いに可動自在に連結している。図１０において、別の実施形態による関節装置１０は、第２交差歯車４と第５歯車４３及び第６歯車４４（図示せず）を備えている。第２交差歯車４は、関節部１ｊに配置されている（図５参照）。図１１において、別の実施形態による関節装置１０は、第２交差歯車５と第５歯車４３及び第６歯車４４（図示せず）を備えている。第２交差歯車５は、関節部１ｊに配置されている（図５参照）。

図１０に示されるように、第２交差歯車４は、第１非円形歯車４１と第２非円形歯車４２とが輪郭中心を共有している。第１非円形歯車４１は、楕円の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に複数の歯４１ａを設けている。第２非円形歯車４２は、楕円の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に複数の歯４２ａを設けている。第１ピッチ曲線を含む仮想の第３平面Ａ３と、第２ピッチ曲線を含む仮想の第４平面Ａ４とが直交している。

図１１に示されるように、第２交差歯車５は、第１非円形歯車５１と第２非円形歯車５２とが輪郭中心を共有している。第１非円形歯車５１は、所定の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に複数の歯５１ａを設けている。第２非円形歯車５２は、所定の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に複数の歯５２ａを設けている。第１ピッチ曲線を含む仮想の第３平Ｂ３と、第２ピッチ曲線を含む仮想の第４平面Ｂ４とが直交している。

図１０において、第５歯車４３は、第１非円形歯車４１と噛み合っている。又、図示されない第６歯車４４は、第２非円形歯車４２と噛み合っている。図５を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車４に置き換えて、第５歯車４３をアーム１に設けることができる。同様に、第６歯車４４をアーム２に設けることができる。

図１１において、第５歯車４３は、第１非円形歯車５１と噛み合っている。又、図示されない第６歯車４４は、第２非円形歯車５２と噛み合っている。図５を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車５に置き換えて、第５歯車４３をアーム１に設けることができる。同様に、第６歯車４４をアーム２に設けることができる。

図１０において、第１ウォーム歯車１５は、第５歯車４３と同軸上に配列している。第１ウォーム１６は、第１ウォーム歯車１５と噛み合っている。図示されない第２ウォーム歯車１７は、第６歯車４４と同軸上に配列している。図示されない第２ウォーム１８は、第２ウォーム歯車１７と噛み合っている。図５を参照すると、第１ウォーム歯車１５と第１ウォーム１６をアーム１に設けることができる。同様に、第２ウォーム歯車１７と第２ウォーム１８をアーム２に設けることができる。

図１１において、第１ウォーム歯車１５は、第５歯車４３と同軸上に配列している。第１ウォーム１６は、第１ウォーム歯車１５と噛み合っている。図示されない第２ウォーム歯車１７は、第６歯車４４と同軸上に配列している。図示されない第２ウォーム１８は、第２ウォーム歯車１７と噛み合っている。図５を参照すると、第１ウォーム歯車１５と第１ウォーム１６をアーム１に設けることができる。同様に、第２ウォーム歯車１７と第２ウォーム１８をアーム２に設けることができる。

図５を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車４に置き換えて、第１ウォーム１６を回転する第１モータ１ｍをアーム１に設けることができる。又、第２ウォーム１８を回転する第２モータ２ｍをアーム２に設けることができる。

図５を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車５に置き換えて、第１ウォーム１６を回転する第１モータ１ｍをアーム１に設けることができる。又、第２ウォーム１８を回転する第２モータ２ｍをアーム２に設けることができる。

図１２において、第２交差歯車４は、第５歯車４３の歯面を第１非円形歯車４１の歯面４１ａに当接する力を付勢する付勢部材となる引張りコイルばね６を備えている。第５歯車４３を回転させる力が付与されることにより、第１非円形歯車４１と第５歯車４３が相対移動する。この場合、第１非円形歯車４１が固定歯車となり、第５歯車４３が可動歯車となり、第５歯車４３が第１非円形歯車４１に噛み合って自走する。ここで、第５歯車４３の中心Ｑ３は、第１非円形歯車４１の第１ピッチ曲線（楕円）に倣う公転軌跡Ｋ３を描くことができる。

又、図示されていないが、第２交差歯車４は、第６歯車４４の歯面を第２非円形歯車４２の歯面４２ａに当接する力を付勢する引張りコイルばね６を備えている。第６歯車４４の中心は、第２非円形歯車４２の第２ピッチ曲線（楕円）に倣う公転軌跡を描くことができる。

図１３において、第２交差歯車５は、第５歯車４３の歯面を第１非円形歯車５１の歯面に当接する力を付勢する付勢部材となる引張りコイルばね６を備えている。第５歯車４３を回転させる力が付与されることにより、第１非円形歯車５１と第５歯車４３が相対移動する。この場合、第１非円形歯車５１が固定歯車となり、第５歯車４３が可動歯車となり、第５歯車４３が第１非円形歯車５１に噛み合って自走する。ここで、第５歯車４３の中心Ｑ４は、第１非円形歯車５１の所定の第２ピッチ曲線に倣う公転軌跡Ｋ４を描くことができる。

又、図示されていないが、第２交差歯車５は、第６歯車４４の歯面を第２非円形歯車５２の歯面に当接する力を付勢する引張りコイルばね６を備えている。第６歯車４４の中心は、第２非円形歯車５２の所定の第２ピッチ曲線に倣う公転軌跡を描くことができる。

図１２において、第２交差歯車４は、第５歯車４３の歯面を第１非円形歯車４１の歯面４１ａに円滑に追従させる衝撃吸収部材となるショックアブソーバ７を備えている。ショックアブソーバ７は、引張りコイルばね６の不要なダンピングを防止できる。又、図示されていないが、第２交差歯車４は、第６歯車４４の歯面を第２非円形歯車４２の歯面４２ａに円滑に追従させるショックアブソーバ７を備えている。

図１３において、第２交差歯車５は、第５歯車４３の歯面を第１非円形歯車５１の歯面に円滑に追従させる衝撃吸収部材となるショックアブソーバ７を備えている。ショックアブソーバ７は、引張りコイルばね６の不要なダンピングを防止できる。又、図示されていないが、第２交差歯車５は、第６歯車４４の歯面を第２非円形歯車５２の歯面に円滑に追従させるショックアブソーバ７を備えている。

図１０において、第２交差歯車４は、一対の第３回動軸４１ｓ・４１ｓと一対の第４回動軸４２ｓ・４２ｓとを有している。一対の第３回動軸４１ｓ・４１ｓは、第１非円形歯車４１の輪郭中心軸方向に延びて、第２非円形歯車４２の両翼に外在している。一対の第４回動軸４２ｓ・４２ｓは、第２非円形歯車４２の輪郭中心軸方向に延びて、第１非円形歯車４１の両翼に外在している。

図６を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車４に置き換えて、アーム１には、一対の第３回動軸４１ｓ・４１ｓの両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第３支持端末を設けることができる。図７を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車４に置き換えて、アーム２には、一対の第４回動軸４２ｓ・４２ｓの両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第４支持端末を設けることができる。

図１１において、第２交差歯車５は、一対の第３回動軸５１ｓ・５１ｓと一対の第４回動軸５２ｓ・５２ｓとを有している。一対の第３回動軸５１ｓ・５１ｓは、第１非円形歯車５１の輪郭中心軸方向に延びて、第２非円形歯車５２の両翼に外在している。一対の第４回動軸５２ｓ・５２ｓは、第２非円形歯車５２の輪郭中心軸方向に延びて、第１非円形歯車５１の両翼に外在している。

図６を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車５に置き換えて、アーム１には、一対の第３回動軸５１ｓ・５１ｓの両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第３支持端末を設けることができる。図７を参照すると、第１交差歯車３を第２交差歯車５に置き換えて、アーム２には、一対の第４回動軸５２ｓ・５２ｓの両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第４支持端末を設けることができる。

次に、本発明の別の実施形態による関節装置の構成を補足しながら、作用を説明する。別の実施形態では、第１及び第２非円形歯車４１・４２と第５及び第６歯車４３・４４は、平歯車を用いることが好ましい（図１０参照）。第１及び第２非円形歯車５１・５２と第５及び第６歯車４３・４４は、平歯車を用いることが好ましい（図１１参照）。

図１０において、第５及び第６歯車４３・４４は、第１及び第２非円形歯車４１・４２より歯数が同じ又は少ない小歯車を用いることが好ましい。図１１において、第５及び第６歯車４３・４４は、第１及び第２非円形歯車５１・５２より歯数が同じ又は少ない小歯車を用いることが好ましい。

図１０において、第１及び第２非円形歯車４１・４２は、楕円の外径をピッチ曲線としている。そして、楕円の短半径と長半径の交点を第１非円形歯車４１及び第２非円形歯車４２の輪郭中心としている。楕円形状の第１及び第２非円形歯車４１・４２は、短半径同士が交差しているが、長半径同士が交差してよく、短半径と長半径が交差してもよい。

図１１において、第１及び第２非円形歯車５１・５２は、ピッチ円周の特定の劣弧が凹凸状になる板カムの輪郭をピッチ曲線としている。この板カム状の非円形歯車の優弧のピッチ円周の中心を輪郭中心とすることができる。

図１２において、第１非円形歯車４１と第５歯車４３は、歯車伝動装置を構成している。第５歯車４３を回転させる力が付与されることにより、第１非円形歯車４１と第５歯車４３が相対移動する。この場合、第１非円形歯車４１が固定歯車となり、第５歯車４３が可動歯車となり、第５歯車４３が第１非円形歯車４１に噛み合って自走する。ここで、第５歯車４３の中心Ｑ３は、第１非円形歯車４１の第１ピッチ曲線に追従する公転軌跡Ｋ３を描くことができる。

同様に、図１０において、第２非円形歯車４２と第６歯車４４は、歯車伝動装置を構成できる。第６歯車４４を回転させる力が付与されることにより、第２非円形歯車４２と第６歯車４４が相対移動する。この場合、第２非円形歯車４２が固定歯車となり、第６歯車４４が可動歯車となり、第６歯車４４が第２非円形歯車４２に噛み合って自走する。ここで、第６歯車４４の中心は、第２非円形歯車４２の第２ピッチ曲線に追従する公転軌跡を描くことができる。

図１３において、第１非円形歯車５１と第５歯車４３は、歯車伝動装置を構成している。第５歯車４３を回転させる力が付与されることにより、第１非円形歯車５１と第５歯車４３が相対移動する。この場合、第１非円形歯車５１が固定歯車となり、第５歯車４３が可動歯車となり、第５歯車４３が第１非円形歯車５１に噛み合って自走する。ここで、第５歯車４３の中心Ｑ４は、第１非円形歯車５１の第１ピッチ曲線に追従する公転軌跡Ｋ４を描くことができる。

同様に、図１１において、第２非円形歯車５２と第６歯車４４は、歯車伝動装置を構成できる。第６歯車４４を回転させる力が付与されることにより、第２非円形歯車５２と第６歯車４４が相対移動する。この場合、第２非円形歯車５２が固定歯車となり、第６歯車４４が可動歯車となり、第６歯車４４が第２非円形歯車５２に噛み合って自走する。ここで、第６歯車４４の中心は、第２非円形歯車５２の第２ピッチ曲線に追従する公転軌跡を描くことができる。

別の実施形態による関節装置は、図１から図３に示された第１交差歯車３の第１歯車３１及び第２歯車３２を第１非円形歯車４１及び第２非円形歯車４２に代えている（図１０参照）。又、第１交差歯車３の第１歯車３１及び第２歯車３２を第１非円形歯車５１及び第２非円形歯車５２に代えることもできる。

図５から図９を参照すると、別の実施形態による関節装置は、アーム１の伸長方向とアーム２の伸長方向とが直交配置されてよく、第５歯車４３を回転すれば、アーム２に対して、アーム１を可動できる。第６歯車４４を回転すれば、アーム１に対して、アーム２を可動できる。第５及び第６歯車４３・４４に適宜な方向変換機構を連結すれば、アーム１の伸長方向とアーム２の伸長方向とを同軸上に配置することもできる。このように、別の実施形態による関節装置は、１関節に２自由度を有する関節装置を実現できる。

図１０を参照すると、別の実施形態による関節装置は、第１及び第２非円形歯車４１・４２と第５及び第６歯車４３・４４とは、カム装置を構成しているということもできる。ここで、カム曲線を有する第１及び第２非円形歯車４１・４２が従動節であってよく、カム曲線に接触して転動する第５及び第６歯車４３・４４が動節であってよく、別の実施形態による関節装置は、動節と従動節の関係が反対になった「反対カム」を構成しているということもできる。

図１１を参照すると、別の実施形態による関節装置は、第１及び第２非円形歯車５１・５２と第５及び第６歯車４３・４４とは、カム装置を構成しているということもできる。ここで、カム曲線を有する第１及び第２非円形歯車５１・５２が従動節であってよく、カム曲線に接触して転動する第５及び第６歯車４３・４４が動節であってよく、別の実施形態による関節装置は、動節と従動節の関係が反対になった「反対カム」を構成しているということもできる。

周知のとおり、カム装置は、カム曲線に追従する従動節の位置（瞬間中心）を変えること、及び従動節の速度又は加速度を変えることができる。つまり、従動節の位置、速度、又は加速度はカム曲線に依存している。一方で、第２交差歯車４・５は、歯車伝動装置を構成しているので、例えば、別の実施形態による関節装置は、アーム１とアーム２とが鈍角から閉じるときは、駆動車となる第５及び第６歯車４３・４４が低いトルクで駆動でき、アーム１とアーム２とが鈍角から開くときは、駆動車となる第５及び第６歯車を高いトルクで駆動する関節装置を実現できる（図５から図９参照）。

なお、図１０に示された第２非円形歯車４２を第２歯車３２に代えてもよく（図１から図３参照）、図１１に示された第２非円形歯車５２を第２歯車３２に代えてもよく（図１から図３参照）、第１非円形歯車４１を第１歯車３１に代えてもよく、第１非円形歯車５１を第１歯車３１に代えてもよい。

本発明による関節装置１０を連設して多関節装置を構成すれば、全体として自由度が増化し、限られた空間で障害物を迂回するなど、複雑で多様な動作を実現することも容易である。本発明による関節装置１０を連設して多関節型の産業用ロボットを実現できる。

本発明による関節装置１０を連設して、従来には無いモジュール型マニピュレーターを実現できる。このモジュール型マニピュレーターに設けられた複数の関節装置を協調的に動作させ、これらの関節装置を自律分散的に制御すれば、例えば、関節装置１０に設けられた制御回路１ｃ・２ｃを通信で自律分散的に制御すれば、宇宙空間での複雑な変化に柔軟に対応できる。

第１交差歯車３又は第２交差歯車４を利用して、上述した関節装置以外の交差歯車装置を考えることができる。この場合、交差歯車装置は、交差固定歯車と第１自走歯車及び第２自走歯車を備えてよく、交差固定歯車は、第１固定歯車と第２固定歯車を有している。

第１固定歯車は、第３ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。第２固定歯車は、第４ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。そして、第３ピッチ曲線を含むＸ平面と第４ピッチ曲線を含むＹ平面とが直交するように交差している。

ここで、第１固定歯車の第３ピッチ曲線は、第１歯車３１のピッチ円周、又は第１非円形歯車４１の第１ピッチ曲線のいずれか一方を含むことができる。又、第２固定歯車の第４ピッチ曲線は、第２歯車３２のピッチ円周、又は第２非円形歯車４２の第２ピッチ曲線のいずれか一方を含むことができる。Ｘ平面は、第１平面Ａ１又は第３平面Ａ３のいずれか一方を含むことができる。Ｙ平面は、第２平面Ａ２又は第４平面Ａ４のいずれか一方を含むことができる。

第１固定歯車が第１歯車３１であって、第２固定歯車が第２歯車３２であって、第１歯車３１と第２歯車３２が中心を共有してよく、更に、第１自走歯車及び第２自走歯車が第３歯車１３及び第４歯車１４であってよく、実施の形態による関節装置１０を実現できる。

又、第１固定歯車が第１非円形歯車４１であって、第２固定歯車が第２非円形歯車４２であって、第１非円形歯車４１と第２非円形歯車４２が輪郭中心を共有してよく、更に、第１自走歯車及び第２自走歯車が第５歯車４３及び第６歯車４４であってよく、別の実施の形態による関節装置を実現できる。

交差歯車装置は、第１固定歯車と第２固定歯車が中心又は輪郭中心を共有することに限定されない。第１固定歯車の輪郭中心に対して第２固定歯車の輪郭中心が偏心してよく、第２固定歯車の輪郭中心に対して第１固定歯車の輪郭中心が偏心してよく、交差歯車装置を利用して、関節装置以外にも様々な応用が展開されると考えられる。

１アーム（一方のアーム）
１ｊ関節部
２アーム（他方のアーム）
４第２交差歯車
１０関節装置
４１第１非円形歯車
４２第２非円形歯車
４３第５歯車
４４第６歯車

Claims

一方のアームの端部と他方のアームの端部とが互いに可動自在に連結する関節装置であって、
関節部に配置する第２交差歯車であって、所定の閉曲線からなる第１ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１非円形歯車と所定の閉曲線からなる第２ピッチ曲線に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２非円形歯車とが輪郭中心を共有し、かつ第１ピッチ曲線を含む第３平面と前記第２ピッチ曲線を含む第４平面とが直交する第２交差歯車と、
一方の前記アームに設けられて前記第１非円形歯車と噛み合う第５歯車と、
他方の前記アームに設けられて前記第２非円形歯車と噛み合う第６歯車と、を備える関節装置。
一方の前記アームは、前記第５歯車と同軸上に配列する第１ウォーム歯車と、この第１ウォーム歯車と噛み合う第１ウォームと、を有し、
他方の前記アームは、前記第６歯車と同軸上に配列する第２ウォーム歯車と、この第２ウォーム歯車と噛み合う第２ウォームと、を有する請求項１記載の関節装置。
一方の前記アームは、前記第１ウォームを回転する第１モータを有し、
他方の前記アームは、前記第２ウォームを回転する第２モータを有する請求項２記載の関節装置。
前記第２交差歯車は、前記第１非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて前記第２非円形歯車の両翼に外在する第３回動軸と、前記第２非円形歯車の輪郭中心軸方向に延びて前記第１非円形歯車の両翼に外在する第４回動軸と、を有し、
一方の前記アームは、前記第３回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第３支持端末を有し、
他方の前記アームは、前記第４回動軸の両端部を回動が可能に、かつ離間が困難に支持する第４支持端末を有する請求項１から３のいずれかに記載の関節装置。
前記第２交差歯車は、前記第５歯車及び前記第６歯車の歯面を前記第１非円形歯車及び前記第２非円形歯車の歯面に当接する力を付勢する付勢部材を備える請求項１から４のいずれかに記載の関節装置。
前記付勢部材は、引張りコイルばねからなり、
前記第２交差歯車は、前記第５歯車及び前記第６歯車の歯面を前記第１非円形歯車及び前記第２非円形歯車の歯面に円滑に追従させる衝撃吸収部材を備える請求項５記載の関節装置。
前記第２交差歯車は、前記第１非円形歯車又は前記第２非円形歯車のいずれか一方が第３円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第７歯車からなる請求項１から６のいずれかに記載の関節装置。