JP2018122373A - 関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制して、応答性の向上が図れる関節装置を提供すること。【解決手段】関節装置は、２つの電動機を備える。一の電動機は、第１中心軸の軸方向に延びる第１中空シャフトと、第１中空シャフトの周囲を回転する第１回転部と、第１回転部から得られる回転運動を減速させる減速機構と、減速機構による減速後の回転数で、第１中心軸を中心として回転するフレーム部と、第１中空シャフトの径方向外側に位置し、径方向外側に延びる円筒部を有するホルダとを有する。他の電動機は、第２中心軸の軸方向に延びる第２中空シャフトと、第２中空シャフトの周囲を回転する第２回転部と、第２回転部の回転に従い、第２中空シャフトの周囲を回転するフレーム部とを有する。第２中空シャフトに、ホルダの円筒部が固定される。【選択図】図６

Description

本発明は、関節装置に関する。

産業用ロボットとして、例えば、特開２０１１−１６１５７１号公報に記載されている多関節形ロボットがある。当該公報の多関節形ロボットは、７自由度を有する溶接ロボットである。この多関節形ロボットは、基台に対して第１回転軸心の周りに旋回可能に設けられた旋回台を有する。旋回台には第１回転軸心と直交する面内の第２回転軸心の周りに第１アームが回動可能に設けられる。第１アームの先端部に対して、第２回転軸心と直交する第３回転軸心の周りに第２アームが旋回可能に設けられる。第２アームの先端部に、第３回転軸心と直交する面内の第４回転軸心の周りに第３アームが回動可能に設けられる。第３アームの先端部には手首組立体が取り付けられる。
特開２０１１−１６１５７１号公報

特開２０１１−１６１５７１号公報に記載の多関節形ロボットは、アームと、回転用の駆動装置とが、交互に接続される。このため、当該公報の多関節形ロボットは、大型化および重量化を避けることができない。また、重量化に伴い、アームの駆動に際して大きな動力を要し、応答性が低下する問題がある。

このような問題を鑑みて、本発明の目的は、大型化を抑制して、応答性の向上が図れる関節装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、関節装置であって、第１中心軸を中心に周囲を取り囲んで、第１の軸方向に延びる第１中空シャフトと、前記第１中空シャフトの第１の径方向外側に位置し、前記第１中心軸を中心として回転する第１回転部と、前記第１回転部から得られる回転運動を減速させる減速機構と、前記減速機構による減速後の回転数で、前記第１中心軸を中心として回転する第１出力部と、前記第１中空シャフトの前記第１の径方向外側に位置し、前記第１の径方向外側に延びる円筒部を有する第１ホルダと、を有する第１駆動装置と、第２中心軸を中心に周囲を取り囲んで、第２の軸方向に延びる第２中空シャフトと、前記第２中空シャフトの第２の径方向外側に位置し、前記第２中心軸を中心として回転する第２回転部と、前記第２回転部の回転に従い、前記第２中心軸を中心として回転する第２出力部と、を有する第２駆動装置と、を備え、前記第２中空シャフトに、前記第１ホルダの前記円筒部が固定される。

本発明によれば、第１駆動装置と、第２駆動装置とで、２軸の回転動作が可能となる。第２駆動装置は、第１ホルダにより第１駆動装置に支持される。このため、関節部分となる第１駆動装置と第２駆動装置との近接配置が可能となる。この結果、関節装置の大型化を抑制できる。また、関節部分を近づけることで、慣性が小さくなり応答性の向上が図れる。

図１は、本願の例示的な実施形態に係るロボットアーム機構の断面図である。 図２は、第１関節装置の断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 図４は、ホルダの斜視図である。 図５は、ホルダの斜視図である。 図６は、第２関節装置の断面図である。 図７は、ホルダの斜視図である。

以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、電動機の中心軸と平行な方向を「軸方向」、電動機の中心軸に直交する方向を「径方向」、電動機の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。

＜１．ロボットアーム機構の全体構成＞
図１は、本願の例示的な実施形態に係るロボットアーム機構１００の断面図である。

ロボットアーム機構１００は、第１関節装置１０１と、第２関節装置１０２と、第１アーム１０３と、第２アーム１０４と、基台１０５とを備える。ロボットアーム機構１００は、基台１０５から順に、第１関節装置１０１、第１アーム１０３、第２関節装置１０２、第２アーム１０４の順に接続される。第２アーム１０４には、図示しない先端機構が接続される。先端機構は、例えば、溶接トーチ、または、対象物を把持する多指ハンドである。

第１関節装置１０１は基台１０５に固定される。第１関節装置１０１は、減速機構付き電動機１Ａと、減速機構付き電動機１Ｂとを有する。以下の説明において、減速機構付き電動機は、単に「電動機」と称する。電動機１Ａは、第１中心軸Ｊ１を中心とした回転運動をする。電動機１Ｂは、第１中心軸Ｊ１に直交する第２中心軸Ｊ２を中心とした回転運動をする。

第１アーム１０３は、第１関節装置１０１に支持される。第１アーム１０３は、第１関節装置１０１により、第１中心軸Ｊ１および第２中心軸Ｊ２を中心とした関節動作が可能となる。

第２関節装置１０２は、第１アーム１０３に固定される。第２関節装置１０２は、電動機１Ｃと、電動機１Ｄとを有する。電動機１Ｃは、第３中心軸Ｊ３を中心とした回転運動をする。電動機１Ｄは、第３中心軸Ｊ３に直交する第４中心軸Ｊ４を中心とした回転運動をする。

第２アーム１０４は、第２関節装置１０２に支持される。第２アーム１０４は、第２関節装置１０２により、第３中心軸Ｊ３および第４中心軸Ｊ４を中心とした関節動作が可能となる。

つまり、本実施形態に係る第１関節装置１０１、および第２関節装置１０２それぞれは、２自由度の関節動作が可能である。そして、第１関節装置１０１と、第２関節装置１０２とを備えるロボットアーム機構１００は、４自由度の関節動作が可能である。

なお、ロボットアーム機構１００は、基台１０５に近い電動機ほど、大きな回転トルクが必要となる。このため、図１に示すように、第１関節装置１０１の電動機１Ａおよび電動機１Ｂは、第２関節装置１０２の電動機１Ｃおよび電動機１Ｄよりも、大きい。

＜２．第１関節装置１０１の構成＞
図２は、第１関節装置１０１の断面図である。

第１関節装置１０１は、電動機１Ａと、電動機１Ｂとを備える。電動機１Ａは、第１アーム１０３を支持する。電動機１Ｂは、基台１０５に固定される。そして、電動機１Ａと、電動機１Ｂとは、連結される。電動機１Ａと、電動機１Ｂとの連結部分は、蛇腹カバー７１で覆われ、接続部分が保護される。

＜２．１．電動機１Ｂの構成＞
まず、電動機１Ｂについて説明する。電動機１Ｂは、本願の「第２駆動装置」の一例である。

電動機１Ｂは、中空シャフト２１と、フレーム部２２と、ステータ２３と、回転部２４と、減速機構２５とを備える。

中空シャフト２１は、第２中心軸Ｊ２に沿って配置された、略円柱形状の部材である。中空シャフト２１には、電動機１Ａが有するホルダ１６の円筒部１６２が挿入される。中空シャフト２１は、キー２１Ａを有する。円筒部１６２が中空シャフト２１に挿入されると、キー２１Ａが、円筒部１６２のキー溝にはめ込まれる。これにより、中空シャフト２１と円筒部１６２とが、相対回転不可に固定される。つまり、中空シャフト２１が、第２中心軸Ｊ２を中心に回転すると、ホルダ１６も同様に回転する。

中空シャフト２１は、本願の「第２中空シャフト」の一例である。中空シャフト２１のキー２１Ａは、本願の「第３締結要素」の一例である。

フレーム部２２は、中空シャフト２１の径方向外側に配置される。フレーム部２２は、第２中心軸Ｊ２を中心とする円環状である。フレーム部２２は、径方向外側端部に設けられる接続部２２１を介して、例えばボルトにより、基台１０５に固定される。これにより、電動機１Ｂは、基台１０５に固定される。また、フレーム部２２は、径方向内側端部に設けられた、筒部２２２を有する。筒部２２２は、第２中心軸Ｊ２を中心として軸方向に延びる。筒部２２２は、間隔を置いて中空シャフト２１の周囲を囲む。

筒部２２２の内周面と、中空シャフト２１の外周面との間には、軸受２１１が設けられる。軸受２１１は、クロスローラベアリングであって、中空シャフト２１とフレーム部２２とを回転可能に接続する。軸受２１１にクロスローラベアリングを用いることで、中空シャフト２１とフレーム部２２とを高剛性に接続できる。

ステータ２３は、中空シャフト２１の径方向外側に配置される。ステータ２３は、後述の回転部２４を回転させるトルクを発生させる。ステータ２３は、ステータコア２３１と、複数のコイル２３２とを有する。ステータコア２３１は、第２中心軸Ｊ２を中心とする円環状の磁性体が、複数積層された積層構造体であって、中空シャフト２１の外周面に固定される。ステータコア２３１は、径方向外側に突出する複数のティースを有する。複数のコイル２３２は、複数のティースに巻かれ、第２中心軸Ｊ２を中心として環状に配置される。複数のコイル２３２は、３つのコイル群により構成される。３つのコイル群は、それぞれＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用である。各コイル群は、１つの導線により構成される。

回転部２４は、ステータ２３よりも、第２中心軸Ｊ２の径方向外側に配置される。回転部２４は、ロータハブ２４１と、ロータマグネット２４２とを有する。ロータハブ２４１は、円筒形である。ロータハブ２４１は、フレーム部２２の筒部２２２およびステータ２３よりも、第２中心軸Ｊ２の径方向外側に配置される。ロータハブ２４１の内周面には、ロータマグネット２４２が固定される。ロータマグネット２４２は、第２中心軸Ｊ２の径方向内側に位置するステータ２３と隙間をおいて対向する。

ロータハブ２４１の内周面と、筒部２２２の外周面との間の空間には、軸受２１２が設けられる。軸受２１２は、フレーム部２２とロータハブ２４１とを回転可能に接続する。これにより、ステータ２３に通電されると、回転部２４は、ステータ２３からのトルクを受けて、第２中心軸Ｊ２を中心として回転する。回転部２４は、本願の「第２回転部」の一例である。

減速機構２５は、回転部２４よりも、第２中心軸Ｊ２の径方向外側に配置される。減速機構２５は、回転部２４から得られる回転運動を減速させて、中空シャフト２１を回転させる。つまり、減速機構２５は、回転部２４の回転を、回転部２４の回転数よりも低い回転数の回転運動に変換し、中空シャフト２１を回転させる。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図３では、中空シャフト２１等の図示は省略している。

減速機構２５には、可撓歯車を利用した、いわゆる波動歯車機構が用いられる。減速機構２５は、カム２５１、可撓外歯歯車２５２、および可撓軸受２５３を有する。また、本実施形態では、フレーム部２２の接続部２２１は、内歯歯車として、減速機構２５の構成要素となる。

カム２５１は、ロータハブ２４１の外周面に固定された、環状の部材である。カム２５１は、第２中心軸Ｊ２の軸方向から見て楕円形の外周面を有する非真円カムである。

可撓外歯歯車２５２は、図２に示すように、第２中心軸Ｊ２の軸方向の第１端部が開口し、第２端部が閉口した可撓性筒状部である。可撓外歯歯車２５２の第１端部側の外周面には、周方向に沿って、複数の外歯２５２Ａが一定のピッチで設けられる。可撓外歯歯車２５２は、第１端部をフレーム部２２側に向けて配置される。可撓外歯歯車２５２は、第２端部が、中空シャフト２１に固定される。そして、可撓外歯歯車２５２が、第２中心軸Ｊ２を中心に回転すると、中空シャフト２１も同様に回転する。可撓外歯歯車２５２は、本願の「第２出力部」の一例である。

可撓軸受２５３は、カム２５１と可撓外歯歯車２５２との間に介在する。可撓軸受２５３の内輪は、可撓性を有し、カム２５１の楕円状の外周面に沿って固定される。可撓軸受２５３の外輪は、可撓外歯歯車２５２の内周面に固定されて、可撓外歯歯車２５２とともに変形する。可撓軸受２５３の内輪と外輪との間には、複数の球体が介在する。接続部２２１の内周面には、外歯２５２Ａと噛み合う内歯２２１Ａが、周方向に一定のピッチで複数設けられる。

カム２５１がロータハブ２４１と共に回転すると、カム２５１の回転に応じて、可撓外歯歯車２５２の形状が変化する。すなわち、第２中心軸Ｊ２の軸方向に見たときに、可撓外歯歯車２５２はカム２５１の外周面の形状に沿った楕円形状となるが、その楕円の長軸が、カム２５１の回転に追従して回転する。可撓外歯歯車２５２は、外周面に設けられた複数の外歯２５２Ａのうち、長軸の両端に位置する外歯のみが、接続部２２１の内歯２２１Ａと噛み合う。

本実施形態では、複数の外歯２５２Ａの数と、内歯２２１Ａの数とは、互いに異なる。このため、カム２５１の１回転ごとに、可撓外歯歯車２５２の同じ位置の外歯２５２Ａに噛み合う内歯２２１Ａの位置がずれる。フレーム部２２は、基台１０５に固定されるため、内歯２２１Ａは動かない。したがって、可撓外歯歯車２５２が、第２中心軸Ｊ２を中心として、ゆっくりと回転する。その結果、可撓外歯歯車２５２の回転数は、回転部２４の回転数よりも低くなる。

前記のように、可撓外歯歯車２５２が回転すると、中空シャフト２１も回転する。中空シャフト２１は、ホルダ１６の円筒部１６２に固定される。このため、ホルダ１６は、可撓外歯歯車２５２および中空シャフト２１と共に回転する。ホルダ１６は、電動機１Ａの構成要素であり、電動機１Ａは、第１アーム１０３を支持する。つまり第１関節装置１０１は、電動機１Ｂにより、第１アーム１０３を、第２中心軸Ｊ２を中心に回転させる。

＜２．２．電動機１Ａの構成＞
以下に、電動機１Ａについて説明する。電動機１Ａは、本願の「第１駆動装置」の一例である。

電動機１Ａは、中空シャフト１１と、フレーム部１２と、ステータ１３と、回転部１４と、減速機構１５と、ホルダ１６とを備える。

中空シャフト１１は、第１中心軸Ｊ１に沿って配置された、略円柱形状の部材である。中空シャフト１１には、第１中心軸Ｊ１の軸方向に延びる略円柱形状の固定軸５０が挿入される。中空シャフト１１は、キー１１Ａを有する。固定軸５０が中空シャフト１１に挿入されると、キー１１Ａが、固定軸５０のキー溝にはめ込まれる。これにより、中空シャフト１１と固定軸５０とが、相対回転不可に固定される。つまり、中空シャフト１１が、第１中心軸Ｊ１を中心に回転すると、固定軸５０も同様に回転する。

固定軸５０の軸方向の長さは、中空シャフト１１の軸方向の長さよりも長い。このため、固定軸５０を中空シャフト１１に挿入すると、固定軸５０の両端部は、中空シャフト１１から軸方向に突出する。固定軸５０は、中空シャフト１１から突出した両端部が、ピン５１およびピン５２によりホルダ６０に固定される。

中空シャフト１１は、本願の「第１中空シャフト」の一例である。また、キー１１Ａは、本願の「第１締結要素」の一例である。ピン５１、５２は、本願の「第２締結要素」の一例である。ホルダ６０は、本願の「第２ホルダ」の一例である。

図４は、ホルダ６０の斜視図である。

ホルダ６０は、電動機１Ａと、第１アーム１０３とを接続するホルダである。ホルダ６０は、第１軸固定部６１と、第２軸固定部６２と、ベース部６３とを有する。第１軸固定部６１および第２軸固定部６２は、略円板状のベース部６３から垂直に延びる。また、第１軸固定部６１および第２軸固定部６２は、第１中心軸Ｊ１の軸方向に沿って、電動機１Ａが介在できる距離をおいて対向する。

第１軸固定部６１は、第１中心軸Ｊ１の軸方向に貫通する第１貫通孔６１Ａを有する。第１貫通孔６１Ａには、中空シャフト１１から突出した固定軸５０の第１端が挿入される。そして、第１軸固定部６１と、固定軸５０とが、ピン５１により固定される。

第２軸固定部６２は、第１中心軸Ｊ１の軸方向に貫通する第２貫通孔６２Ａを有する。第２貫通孔６２Ａには、中空シャフト１１から突出した固定軸５０の第２端が挿入される。そして、第２軸固定部６２と、固定軸５０とが、ピン５２により固定される。

ベース部６３は略円環状である。第１アーム１０３は、ベース部６３の周縁部に、例えばボルトにより固定される。ベース部６３は、第１軸固定部６１と第２軸固定部６２との間に、開口６３Ａを有する。この開口６３Ａには、固定軸５０を介して支持する電動機１Ａが配置される。

図２に戻る。フレーム部１２は、中空シャフト１１の径方向外側に配置される。フレーム部１２は、第１中心軸Ｊ１を中心とする円環状である。フレーム部１２には、径方向外側端部に設けられる接続部１２１を介して、ホルダ１６が固定される。また、フレーム部１２は、径方向内側端部に設けられた、筒部１２２を有する。筒部１２２は、第２中心軸Ｊ２を中心として軸方向に延びる。筒部１２２は、間隔を置いて中空シャフト２１の周囲を囲む。

筒部１２２の内周面と、中空シャフト１１の外周面との間の空間には、軸受１１１が設けられる。軸受１１１は、クロスローラベアリングであって、中空シャフト１１とフレーム部１２とを回転可能に接続する。軸受１１１にクロスローラベアリングを用いることで、中空シャフト１１とフレーム部１２とを高剛性に接続できる。

ステータ１３は、中空シャフト１１の径方向外側に配置される。ステータ１３は、電動機１Ｂのステータ２３と同様の構成であって、ステータコア１３１と、複数のコイル１３２とを有する。そして、ステータ１３は、後述の回転部１４を回転させるトルクを発生させる。

回転部１４は、中空シャフト１１の径方向外側に配置される。回転部１４は、電動機１Ｂの回転部２４と同様の構成であって、ロータハブ１４１と、ロータマグネット１４２とを有する。ロータハブ１４１の内周面と、筒部１２２の外周面との間の空間には、軸受１１２が設けられる。軸受１１２は、フレーム部１２と、ロータハブ１４１とを回転可能に接続する。そして、回転部１４は、ステータ１３からのトルクを受けて、第１中心軸Ｊ１を中心として回転する。回転部１４は、本願の「第１回転部」の一例である。また、ロータマグネット１４２と、ステータ１３とは、本願の「ステータユニット」の一例を構成する。

減速機構１５は、回転部１４の径方向外側に配置される。減速機構１５は、回転部１４から得られる回転運動を減速させて、中空シャフト１１を回転させる。つまり、減速機構１５は、回転部１４の回転を、回転部１４の回転数よりも低い回転数の回転運動に変換し、中空シャフト１１を回転させる。減速機構１５は、カム１５１、可撓外歯歯車１５２、および可撓軸受１５３を有する。減速機構１５の具体的構成は、減速機構２５と同じである。すなわち、可撓外歯歯車１５２が、第１中心軸Ｊ１を中心に回転すると、中空シャフト１１も同様に回転する。可撓外歯歯車１５２は、本願の「第１出力部」の一例である。また、可撓軸受１５３は、本願の「第１軸受」の一例である。

ホルダ１６は、電動機１Ａと、電動機１Ｂとを連結する金属製部材である。ホルダ１６は、本願の「第１ホルダ」の一例である。

図５は、ホルダ１６の斜視図である。ホルダ１６は、ケーシング部１６１と、円筒部１６２とを有する。

ケーシング部１６１は、第１中心軸Ｊ１の軸方向に延びる円筒状である。ケーシング部１６１の第１端部は開口し、第２端部は閉口する。第２端部には、第１中心軸Ｊ１を中心とする円形の開口１６１Ａが設けられる。図２に示すように、ホルダ１６は、ケーシング部１６１の第１端部をフレーム部１２側に向け、第１端部側がフレーム部１２に固定される。また、ホルダ１６の第２端部の開口１６１Ａには、固定軸５０が挿入される。そして、開口１６１Ａの内周面と固定軸５０の外周面との間には、軸受１１３が設けられる。軸受１１３は、固定軸５０とケーシング部１６１とを回転可能に接続する。

この状態において、ケーシング部１６１の内側には、中空シャフト１１、ステータ１３、回転部１４および減速機構１５が配置される。つまり、ケーシング部１６１は、電動機１Ａのケーシングとなる。ケーシング部１６１は、本願の「第２支持部」の一例である。

円筒部１６２は、第２中心軸Ｊ２を中心として、軸方向に延びる円柱形状の部材である。円筒部１６２は、第１中心軸Ｊ１の径方向と、第２中心軸Ｊ２の軸方向とを一致させて、ケーシング部１６１の外周面に固定される。円筒部１６２は、電動機１Ｂの中空シャフト２１に挿入される。前記のように、円筒部１６２には、キー溝１６３が設けられる。円筒部１６２が中空シャフト２１に挿入されると、キー溝１６３に、中空シャフト２１のキー２１Ａがはめ込まれる。これにより、円筒部１６２と中空シャフト２１とが、相対回転不可に固定される。

また、ケーシング部１６１と円筒部１６２との接続部分には、第２中心軸Ｊ２の径方向に貫通する配線用穴１６４が設けられる。円筒部１６２は、第２中心軸Ｊ２の軸方向に沿った内部空間を有する。図１に示すロボットアーム機構１００の配線１００Ａは、円筒部１６２の内部空間を通る。配線用穴１６４は、配線１００Ａを、円筒部１６２の内部空間と外部との間で引き回すための穴である。配線１００Ａを、円筒部１６２の内部空間に通すことで、配線１００Ａが外部にむき出しとなり、可動部材との接触により損傷することを防止できる。また、配線１００Ａの一部を、円筒部１６２の内部空間に通すことで、関節動作が配線１００Ａにより阻害されることを防止でき、また、関節動作時の捻じれを防止できる。

前記のように、可撓外歯歯車１５２が回転すると、中空シャフト１１も回転する。中空シャフト１１は、固定軸５０を介して、ホルダ６０に固定される。このため、ホルダ６０は、可撓外歯歯車１５２、中空シャフト１１および固定軸５０と共に回転する。ホルダ６０には、第１アーム１０３が固定される。つまり、第１関節装置１０１は、電動機１Ａにより、第１アーム１０３を、第１中心軸Ｊ１を中心に回転させる。

以上の説明のように、第１関節装置１０１は、電動機１Ａ、１Ｂにより、第１中心軸Ｊ１および第２中心軸Ｊ２を中心とした、第１アーム１０３の関節動作を可能にする。２軸性の関節動作を可能にする電動機１Ａと電動機１Ｂとは、ホルダ１６により、近接配置される。このため、第１関節装置１０１の大型化を抑制される。また、電動機１Ａと電動機１Ｂとを近づけることで、関節動作の慣性が小さくなり応答性の向上が図れる。

＜３．第２関節装置１０２の構成＞
図６は、第２関節装置１０２の断面図である。なお、第１関節装置１０１に用いられる部材と、同じ部材については、同じ符号を用いて、説明は省略する。

第２関節装置１０２は、電動機１Ｃと、電動機１Ｄとを備える。電動機１Ｃは、第１アーム１０３に固定される。電動機１Ｄは、第２アーム１０４を支持する。そして、電動機１Ｃと、電動機１Ｄとは、連結される。電動機１Ｃと、電動機１Ｄとの連結部分は、蛇腹カバー７２で覆われ、連結部分が保護される。

＜３．１．電動機１Ｃの構成＞
まず、電動機１Ｃについて説明する。電動機１Ｃは、第３中心軸Ｊ３を中心とした、第２アーム１０４の回転運動を可能にする。電動機１Ｃは、本願の「第１駆動装置」の一例である。第３中心軸Ｊ３は、本願の「第１中心軸」の一例である。

電動機１Ｃは、中空シャフト３１と、フレーム部３２と、ステータ３３と、回転部３４と、減速機構３５とを備える。

中空シャフト３１は、第３中心軸Ｊ３に沿って配置された、略円柱形状の部材である。中空シャフト３１には、固定軸５０が挿入される。固定軸５０はホルダ６０を介して、第１アーム１０３に固定される。中空シャフト３１は、本願の「第１中空シャフト」の一例である。

フレーム部３２は、中空シャフト３１の径方向外側に配置される。フレーム部３２は、第３中心軸Ｊ３を中心とする円環状である。フレーム部３２には、径方向外側端部に設けられる接続部３２１を介して、ホルダ３６が固定される。また、フレーム部３２は、径方向内側端部に設けられた、筒部３２２を有する。筒部３２２は、第３中心軸Ｊ３を中心として軸方向に延びる。筒部３２２は、間隔を置いて中空シャフト３１の周囲を囲む。

筒部３２２の内周面と、中空シャフト３１の外周面との間の空間には、軸受３１１が設けられる。軸受３１１は、クロスローラベアリングであって、中空シャフト３１とフレーム部３２とを回転可能に接続する。これにより、フレーム部３２は、第３中心軸Ｊ３を中心として、中空シャフト３１の周囲を回転する。軸受３１１にクロスローラベアリングを用いることで、中空シャフト３１とフレーム部３２とを高剛性に接続できる。

フレーム部３２は、本願の「第１出力部」の一例である。軸受３１１は、本願の「第２軸受」の一例である。

ステータ３３は、中空シャフト３１の径方向外側に配置される。ステータ３３は、電動機１Ａ、１Ｂのステータ１３、２３と同様の構成であって、ステータコア３３１と、複数のコイル３３２とを有する。そして、ステータ３３は、後述の回転部３４を回転させるトルクを発生させる。

回転部３４は、中空シャフト３１の径方向外側に配置される。回転部３４は、電動機１Ａ、１Ｂの回転部１４、２４と同様の構成であって、ロータハブ３４１と、ロータマグネット３４２とを有する。ロータハブ３４１の内周面と、筒部３２２の外周面との間の空間には、軸受３１２が設けられる。軸受３１２は、フレーム部３２と、ロータハブ３４１とを回転可能に接続する。そして、回転部３４は、ステータ３３からのトルクを受けて、第３中心軸Ｊ３を中心として回転する。回転部３４は、本願の「第１回転部」の一例である。また、ロータマグネット３４２と、ステータ３３とは、本願の「ステータユニット」の一例を構成する。軸受３１２は、本願の「第３軸受」の一例である。

減速機構３５は、回転部３４の径方向外側に配置される。減速機構３５は、回転部３４から得られる回転運動を減速させて、フレーム部３２を回転させる。つまり、減速機構３５は、回転部３４の回転を、回転部３４の回転数よりも低い回転数の回転運動に変換し、フレーム部３２を回転させる。減速機構３５は、カム３５１、可撓外歯歯車３５２、および可撓軸受３５３を有する。減速機構３５の具体的構成は、減速機構１５、２５と略同じであるが、減速機構３５の可撓外歯歯車３５２は回転しない点で、減速機構１５、２５と相違する。

可撓外歯歯車３５２は、複数の外歯を有する。接続部３２１は、可撓外歯歯車３５２の複数の外歯と噛み合う内歯を有する。そして、可撓外歯歯車３５２の外歯と、接続部３２１の内歯とが、互いに噛み合うとともに、歯数の違いによって相対回転する。このとき、可撓外歯歯車３５２は回転せず、接続部３２１だけが回転する。つまり、フレーム部３２が、第３中心軸Ｊ３を中心に回転する。このときのフレーム部３２の回転数は、回転部３４の回転数よりも低い。

フレーム部３２が第３中心軸Ｊ３を中心に回転すると、フレーム部３２に固定されるホルダ３６も、同様に回転する。ホルダ３６には、電動機１Ｄが固定される。すなわち、第２関節装置１０２は、電動機１Ｃにより、電動機１Ｄと、電動機１Ｄが支持する第２アーム１０４とを、第３中心軸Ｊ３を中心に回転させる。

ホルダ３６は、電動機１Ｃと、電動機１Ｄとを連結する、金属製の部材である。ホルダ３６は、本願の「第１ホルダ」の一例である。

図７は、ホルダ３６の斜視図である。ホルダ３６は、支持部３６１と、円筒部３６２とを有する。

支持部３６１は、本願の「第１支持部」の一例である。支持部３６１は、円弧状である。支持部３６１は、円環状のフレーム部３２の外周縁部に沿って、例えばボルトにより、固定される。これにより、ホルダ３６は、フレーム部３２に固定される。

円筒部３６２は、第４中心軸Ｊ４を中心として、軸方向に延びる円柱形状の部材である。円筒部３６２は、軸方向を、円弧状の支持部３６１の径方向に一致させて、支持部３６１に固定される。円筒部３６２は、電動機１Ｄの中空シャフト４１に挿入される。円筒部３６２には、キー溝３６３が設けられる。円筒部３６２が中空シャフト４１に挿入されると、キー溝３６３に、図６に示す中空シャフト４１のキー４１Ａがはめ込まれる。これにより、円筒部３６２と中空シャフト４１とが、相対回転不可に固定される。

また、円筒部３６２には、第４中心軸Ｊ４の径方向に貫通する配線用穴３６４が設けられる。円筒部３６２は、第４中心軸Ｊ４の軸方向に沿った内部空間を有する。図１に示すロボットアーム機構１００の配線１００Ａは、円筒部３６２の内部空間を通る。配線用穴３６４は、配線１００Ａを、円筒部３６２の内部空間と外部との間で引き回すための穴である。配線１００Ａを、円筒部３６２の内部空間に通すことで、配線１００Ａが外部にむき出しとなり、可動部材との接触により損傷することを防止できる。また、配線１００Ａの一部を、円筒部３６２の内部空間に通すことで、関節動作が配線１００Ａにより阻害されることを防止でき、また、関節動作時の捻じれを防止できる。

前記のように、ホルダ３６は、フレーム部３２に固定される。フレーム部３２は、回転部３４の回転に伴い、回転する。ホルダ３６には、第２アーム１０４を支持する電動機１Ｄが固定される。つまり、第２関節装置１０２は、電動機１Ｃにより、第２アーム１０４を、第３中心軸Ｊ３を中心に回転させる。

＜３．２．電動機１Ｄの構成＞
以下に、電動機１Ｄについて説明する。電動機１Ｄは、第４中心軸Ｊ４を中心とした、第２アーム１０４の回転運動を可能にする。電動機１Ｄは、本願の「第２駆動装置」の一例である。第４中心軸Ｊ４は、本願の「第２中心軸」の一例である。

電動機１Ｄは、中空シャフト４１と、フレーム部４２と、ステータ４３と、回転部４４と、減速機構４５とを備える。

中空シャフト４１は、第４中心軸Ｊ４に沿って配置された、略円柱形状の部材である。中空シャフト４１は、ホルダ３６の円筒部３６２に挿入される。そして、前記のように、中空シャフト４１と円筒部３６２とは、キー４１Ａおよびキー溝により、相対回転不可に固定される。

中空シャフト４１は、本願の「第２中空シャフト」の一例である。また、キー４１Ａは、本願の「第３締結要素」の一例である。

フレーム部４２は、中空シャフト４１の径方向外側に配置される。フレーム部４２は、第４中心軸Ｊ４を中心とする円環状である。フレーム部４２には、径方向外側端部に設けられる接続部４２１を介して、第２アーム１０４が固定される。また、フレーム部４２は、径方向内側端部に設けられた、筒部４２２を有する。筒部４２２は、第４中心軸Ｊ４を中心として軸方向に延びる。筒部４２２は、間隔を置いて中空シャフト４１の周囲を囲む。

筒部４２２の内周面と、中空シャフト４１の外周面との間の空間には、軸受４１１が設けられる。軸受４１１は、クロスローラベアリングであって、中空シャフト４１とフレーム部４２とを回転可能に接続する。これにより、フレーム部４２は、第４中心軸Ｊ４を中心として、中空シャフト４１の周囲を回転する。フレーム部４２は、本願の「第２出力部」の一例である。

ステータ４３は、中空シャフト４１の径方向外側に配置される。ステータ４３は、ステータ３３と同様の構成であって、ステータコア４３１と、複数のコイル４３２とを有する。そして、ステータ４３は、後述の回転部４４を回転させるトルクを発生させる。

回転部４４は、中空シャフト４１の径方向外側に配置される。回転部４４は、回転部３４と同様の構成であって、ロータハブ４４１と、ロータマグネット４４２とを有する。ロータハブ４４１の内周面と、筒部４２２の外周面との間の空間には、軸受４１２が設けられる。軸受４１２は、フレーム部４２と、ロータハブ４４１とを回転可能に接続する。そして、回転部４４は、ステータ４３からのトルクを受けて、第４中心軸Ｊ４を中心として回転する。回転部４４は、本願の「第２回転部」の一例である。

減速機構４５は、回転部４４の径方向外側に配置される。減速機構４５は、回転部４４から得られる回転運動を減速させて、フレーム部４２を回転させる。減速機構４５は、カム４５１、可撓外歯歯車４５２、および可撓軸受４５３を有する。減速機構３５の具体的構成は、減速機構３５と略同じである。そして、減速機構３５と同様、減速機構４５は、回転部４４の回転数よりも低い回転数で、フレーム部４２を、第４中心軸Ｊ４を中心に回転させる。フレーム部４２の回転に伴い、フレーム部４２に固定される第２アーム１０４も同様に回転する。このように、第２関節装置１０２は、電動機１Ｄにより、第２アーム１０４を、第４中心軸Ｊ４を中心に回転させる。

以上の説明のように、第２関節装置１０２は、電動機１Ｃ、１Ｄにより、第３中心軸Ｊ３および第４中心軸Ｊ４を中心とした、第２アーム１０４の関節動作を可能にする。２軸性の関節動作を可能にする電動機１Ｃと電動機１Ｄとは、ホルダ３６により、近接配置される。このため、第２関節装置１０２の大型化を抑制される。また、電動機１Ｃと電動機１Ｄとを近づけることで、関節動作の慣性が小さくなり応答性の向上が図れる。

第２関節装置１０２の大型化を回避することで、第２関節装置１０２を支持する第１アーム１０３は、高剛性の部材とする必要がない。例えば、第１アーム１０３は、アルミパイプの部材とすることができる。その結果、ロボットアーム機構１００の軽量化が図れる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

例えば、ロボットアーム機構１００は、第１関節装置１０１を基台１０５に固定し、第２関節装置１０２を先端側に設けた構成としたが、反対の構成でもよい。つまり、第２関節装置１０２を基台１０５に固定し、第１関節装置１０１を先端側に設けてもよい。また、ロボットアーム機構１００は、１つの関節装置のみを備えてもよい。この場合、ロボットアーム機構１００は、２自由度を有する。また、第２アーム１０４に、関節装置をさらに接続して、ロボットアーム機構１００が、４自由度以上の関節動作を行えるようにしてもよい。

また、締結要素の一例として、キーおよびキー溝を挙げたが、これに限らず、ノックピン、またはセレーションであってもよい。

また、第１関節装置１０１および第２関節装置１０２を構成する各部材の材料には、例えば、高強度の金属を用いればよい。ただし、各部材の材料は、使用時の負荷に耐え得るものであればよく、必ずしも金属には限定されない。

また、減速機構の細部の形状については、本願の各図に示された形状と相違していてもよい。また、上記の実施形態および変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、関節装置に利用できる。

１Ａ、１Ｃ 電動機（第１駆動装置）
１Ｂ、１Ｄ 電動機（第２駆動装置）
１１、３１ 中空シャフト（第１中空シャフト）
１２、２２ フレーム部
１３、２３、３３、４３ ステータ
１４、３４ 回転部（第１回転部）
１５、２５、３５、４５ 減速機構
１６、３６ ホルダ（第１ホルダ）
２１、４１ 中空シャフト（第２中空シャフト）
２４、４４ 回転部（第２回転部）
３２ フレーム部（第１出力部）
４２ フレーム部（第２出力部）
６０ ホルダ（第２ホルダ）
１００ ロボットアーム機構
１０１ 第１関節装置
１０２ 第２関節装置
１０３ 第１アーム
１０４ 第２アーム
１０５ 基台

Claims (14)

1. 第１中心軸を中心に周囲を取り囲んで、第１の軸方向に延びる第１中空シャフトと、
   前記第１中空シャフトの第１の径方向外側に位置し、前記第１中心軸を中心として回転する第１回転部と、
   前記第１回転部から得られる回転運動を減速させる減速機構と、
   前記減速機構による減速後の回転数で、前記第１中心軸を中心として回転する第１出力部と、
   前記第１中空シャフトの前記第１の径方向外側に位置し、前記第１の径方向外側に延びる円筒部を有する第１ホルダと、
   を有する第１駆動装置と、
   第２中心軸を中心に周囲を取り囲んで、第２の軸方向に延びる第２中空シャフトと、
   前記第２中空シャフトの第２の径方向外側に位置し、前記第２中心軸を中心として回転する第２回転部と、
   前記第２回転部の回転に従い、前記第２中心軸を中心として回転する第２出力部と、
   を有する第２駆動装置と、
   を備え、
   前記第２中空シャフトに、前記第１ホルダの前記円筒部が固定される、
   関節装置。
2. 請求項１に記載の関節装置であって、
   前記第１ホルダは、
   前記第１出力部に固定され、前記円筒部を支持する第１支持部、
   を有する、
   関節装置。
3. 請求項１に記載の関節装置であって、
   前記第１ホルダは、
   前記第１中空シャフトと回転可能に接続され、前記円筒部を支持する第２支持部、
   を有し、
   前記第２支持部は、
   前記第１の軸方向に延びる円筒状であって、少なくとも、前記第１中空シャフト、前記第１回転部および前記減速機構の周囲を囲む、
   関節装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
   前記減速機構は、
   周方向の位置によって径が異なり、前記第１回転部とともに回転する非真円カムと、
   前記非真円カムの回転に応じて変形する可撓外歯歯車と、
   前記非真円カムと前記可撓外歯歯車との間に介在する可撓性の第１軸受と、
   前記可撓外歯歯車の前記第１の径方向外側に設けられた内歯歯車と、
   を有し、
   前記可撓外歯歯車と前記内歯歯車とが、互いに噛み合うとともに、歯数の違いによって相対回転する、
   関節装置。
5. 請求項４に記載の関節装置であって、
   前記減速機構は、
   前記第１中心軸に沿う方向の一方端が開口し、他方端が閉口した筒状であって、前記他方端が前記第１中空シャフトに支持された可撓性筒状部を有し、
   前記可撓外歯歯車は、前記可撓性筒状部の前記一方端の外周面に設けられる、
   関節装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
   前記第１駆動装置は、
   複数のコイルが前記第１中心軸を中心として環状に配置されたステータユニット、
   を有し、
   前記第１回転部は、
   前記ステータユニットよりも前記第１の径方向外側に位置するマグネットを有する、
   関節装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
   前記第１中空シャフトに挿入され、前記第１中空シャフトの軸方向長さより長い固定軸と、
   前記固定軸を支持する第２ホルダと、
   を備え、
   前記第２ホルダは、
   前記第１の軸方向に貫通する第１貫通孔および第２貫通孔、
   を有し、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、
   前記第１中心軸に沿って距離を置いて対向して設けられ、
   前記第１中空シャフトの第１端から突出する前記固定軸の第１端が、前記第１貫通孔に挿入され、前記第１中空シャフトの第２端から突出する前記固定軸の第２端が、前記第２貫通孔に挿入される、
   関節装置。
8. 請求項７に記載の関節装置であって、
   前記固定軸は、前記第１中空シャフトに対して相対回転不可に、第１締結要素で固定され、
   前記第２ホルダは、前記固定軸を相対回転不可に、第２締結要素で固定する、
   関節装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
   前記円筒部の内部を通る配線、
   を備える、関節装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
    前記第１出力部は、
    前記第１中空シャフトの前記第１の径方向外側に位置し、前記第１中心軸の周囲を囲んで、軸方向に延びる筒部を有し、
    前記第１回転部は、
    前記筒部よりも径方向外側に位置し、
    前記筒部と、前記第１中空シャフトとの間に設けられ、前記第１出力部と、前記第１中空シャフトとを回転可能に接続する第２軸受と、
    前記筒部と、前記第１回転部との間に設けられ、前記筒部と、前記第１回転部とを回転可能に接続する第３軸受と、
    をさらに備える、関節装置。
11. 請求項１０に記載の関節装置であって、
    前記第２軸受は、クロスローラベアリングである、
    関節装置。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
    前記第１駆動装置と、前記第２駆動装置の接続部分を覆う蛇腹カバー、
    を備える、関節装置。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
    前記第２中空シャフトと、前記第１ホルダの前記円筒部とは、相対回転不可に、第３締結要素で固定される、
    関節装置。
14. 請求項１から請求項１３までのいずれか１つに記載の関節装置であって、
    多自由度のアームを有するロボットアーム機構に用いられ、
    前記第１出力部、および、前記第２出力部の少なくとも一方に、前記アームが固定される、
    関節装置。

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