JP3916933B2

JP3916933B2 - ロボットの関節装置

Info

Publication number: JP3916933B2
Application number: JP2001354816A
Authority: JP
Inventors: 郁磨福井; 誠治福永
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003145476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子ペット、産業用ロボット等のロボットの関節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの関節装置は、本体に頭部や、腕部、脚部を接続し、腕部に手部や指部を順次接続し、脚部に下脚や足部等を順次接続するために用いられている。本体または本体の近くに位置する部材を第１部材、該第１部材よりも本体から遠くに位置する部材を第２部材とすると、第２部材は第１部材に設けた駆動機構により第１部材に対して相対的に所定の自由度で駆動する。第２部材には、触覚、視覚、聴覚等の各種センサが設けられ、これらの検出信号はハーネスを介して第１部材に送信される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような関節装置を備えたロボットでは、落下や衝突により、本体から離れた第２部材が衝撃を受けやすい。第２部材が衝撃を受けると、当該第２部材に設けた各種センサが損傷したり、ハーネスが断線する虞れがあった。
【０００４】
ロボットの衝撃吸収装置として、特開平５−３０５７８号公報には、基体と可動脚部の間に弾性体を介在させ、基体と可動脚部をボルトで連結したものが記載されている。しかし、この衝撃吸収装置では、弾性体が収縮する方向の衝撃は吸収できるが、弾性体が拡張する方向の衝撃や横方向の衝撃はボルトを介して基体に伝達されるので、吸収できないし緩和もできない。
【０００５】
本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、落下や衝突による衝撃を吸収，緩和することができるロボットの関節装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、第１部材の略半球状の先端に第２部材の基端を関節接続し、前記第１部材内に収容された駆動機構により前記第２部材を所定の自由度で駆動するロボットの関節装置において、前記第２部材を前記駆動機構によって駆動される駆動部材と、該駆動部材に連結されゴムからなる環状の緩衝部材と、該緩衝部材に連結され前記駆動部材には連結されない従動部材とに分離し、前記駆動部材は先端に緩衝ベース部材を有し、該緩衝ベース部材の底を前記第１部材の略半球状の先端に沿う略半球面とし、前記緩衝部材の底面を前記緩衝ベース部材の底の略半球面に沿う略半球面とし、前記駆動部材の前記緩衝ベース部材に前記緩衝部材を取り付け、前記従動部材の基端に環状の取付ベース部材を取り付け、前記緩衝部材の外周に形成した係合溝からなる係合部に前記取付ベース部材の内周面に突設した被係合部を係合することにより、前記緩衝部材に前記従動部材の基端を取り付け、前記第２部材に各種センサを内蔵したものである。
【０００７】
本発明では、駆動部材の先端に緩衝部材を取り付け、該緩衝部材に従動部材の基端を取り付けたので、駆動部材と従動部材が弾性部材を介して遮断され、従動部材に作用する衝撃が駆動部材に伝達されず、衝撃が吸収，緩和される。また、緩衝部材の外周に形成した係合溝からなる係合部に取付ベース部材の内周面に突設した被係合部を係合することにより、緩衝部材に従動部材の基端を取り付けたので、構造が簡単で取付けが容易になる。
【０００８】
前記駆動部材の先端に緩衝ベース部材を取り付け、該緩衝ベース部材に前記緩衝部材を設置し、前記緩衝ベース部材に突設した突起に押え板を取り付けて、前記緩衝部材を前記緩衝ベース部材と前記押え板との間に挟持することが好ましい。このようにすることで、構造が簡単で取付けが容易になる。
【０００９】
前記緩衝部材は、弾性を有する板状で、前記突起が貫通する貫通孔を有することが好ましい。このようにすることで、緩衝部材の横方向へのずれが防止される。
【００１２】
前記緩衝部材の係合溝を形成する先端側の側壁は周方向に複数に分離されていることが好ましい。このようにすると、取付ベース部材の係合突出片を環状部材の係合溝に係合するときに、側壁が容易に撓むので、取付けが容易である。
【００１３】
前記押え板は、前記複数の壁部を押さえる突片を有することが好ましい。これにより、取付ベース部の係合突出片が緩衝部材の係合溝から外れるのが防止される。
【００１４】
前記ロボットは、動物型ロボットで、前記第１部材は胴部、前記第２部材は頭部であることが好ましい。動物型ロボットの頭部には、各種センサが多数設けられるので、この頭部の衝撃を吸収，緩和してセンサの損傷やワイヤの断線を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明にかかる関節装置を備えたネコ型電子ペットであるロボットを示す。本発明の第１部材は胴部１であり、第２部材は頭部２である。胴部１の先端（前端）に頭部２の基端が関節接続されている。このロボットには、全体が人工毛皮からなる表皮（ぬいぐるみ）３が被着されている。
【００１７】
第１部材としての胴部１を形成する中空のケーシング４は、前端に斜め上に向かって***する略半球形の首部５を有している。この首部５には、図５に示すように、上下方向に長い開口６が形成されている。ケーシング４内にはギヤケース７が収容され、該ギヤケース７の両側端に一対の軸受部８が形成されている。一対の軸受部８を結ぶ水平軸心線の中点Ｍは、前記首部５の半球の中心となっている。
【００１８】
第２部材としての頭部２は、駆動部材９と従動部材１０とに分離され、それらの間に緩衝部材１１が位置している。
【００１９】
駆動部材９は、上下駆動部材１２と、左右駆動軸１３と、緩衝ベース部材１４およびその固定部材１５とからなっている。上下駆動部材１２は、図４に示すように、略半球形の中空ケース１６を蓋１７で覆ったものである。蓋１７には、前記ギヤケース７の軸受部８に軸支される一対の上下駆動軸１８が突設されている。左右駆動軸１３は、筒形で、前記上下駆動部材１２の内部に収容されるとととも、両端がそれぞれ中空ケース１６と蓋１７とに図示しないベアリングを介して軸支されている。左右駆動軸１３の先端は上下駆動部材１２の中空ケース１６から突出し、その外周面に外周溝１９が形成されている。緩衝ベース部材１４は、図３に示すように、略皿形で、その底面は半球状に***し、中央に軸取付孔２０が形成されている。緩衝ベース部材１４の底面には、３つの突起２１が突設され、その先端にねじ孔２２が形成されている。また、緩衝ベース部材１４の底面には、固定部材１５を取り付けるための取付台２３が突設されている。固定部材１５は、略Ｃ字形で、内周面に前記左右駆動軸１３の外周溝１９に係合する内周突起２４が形成されている。固定部材１５の両端には、タッピンねじ２５がねじ込まれるようになっている。
【００２０】
従動部材１０は、図１に示すように、頭部本体２６と、該頭部本体２６の基端に取り付けられる取付ベース部材２７とからなっている。頭部本体２６には、耳、目蓋、下顎を駆動する図示しない駆動機構が内蔵され、また触覚、視覚、聴覚の各センサが内蔵されている。取付ベース部材２７は、図３に示すように、環状で、その下端には、Ｌ字形の複数の係合突出片２８が形成されている。
【００２１】
緩衝部材１１は、環状でかつ板状をなし、その底面は前記緩衝ベース部材１４の底の略半球面に沿うように略半球面に形成されている。緩衝部材１１の外周面には係合溝２９が形成され、該係合溝２９の上側の側壁３０は複数に分割されている。緩衝部材１１の板厚方向には、前記緩衝ベース部材１４の突起２１が挿通される貫通孔３１が形成されている。緩衝部材１１は、エラストマーや、シリコンゴム等の低硬度ゴムから形成されている。前記緩衝ベース部材１４に載置された緩衝部材１１を押える押え板３２は、金属からなり、外周には、前記緩衝部材１１の複数の側壁３０に対応する複数の突片３３が突設されている。
【００２２】
前記第２部材である頭部２を駆動する駆動機構は、上下駆動部材１２を駆動する図６，７に示す上下駆動機構３４と、左右駆動軸１３を駆動する図７，８に示す左右駆動機構３５とからなっている。
【００２３】
上下駆動機構３４は、図６，図７に示すように、胴部１のギヤケース７内に収容されている。この上下駆動機構３４は、上下駆動モータ３６と、該上下駆動モータ３６の駆動軸に固着されたウォーム３７と、該ウォーム３７に噛合する第１ギヤ列３８ａと、該第１ギヤ列３８ａに噛合する第２ギヤ列３８ｂと、該第２ギヤ列３８ｂに噛合する第３ギヤ列３８ｃと、前記上下駆動部材３４に取り付けられて前記第３ギヤ列３８ｃに噛合する略９０°の扇形の出力ギヤ３９とからなっている。上下駆動モータ３６の駆動により、第１ギヤ列３８ａ、第２ギヤ列３８ｂ、第３ギヤ列３８ｃ、出力ギヤ３９が順次回動し、上下駆動部材１２が上下に略９０°回動するようになっている。上下駆動部材１２の駆動角度を検出するために、第３ギヤ列３８ｃの軸にエンコーダ４０が取り付けられている。このように、上下駆動部材１２の駆動角度をそれに固定された出力ギヤ３９で直接検出するのではなく、出力ギヤ３９の１つ前の回動角度が大きい第３ギヤ列３８ｃで検出することで、エンコーダ４０の分解能が高くなり、上下駆動部材１２の駆動角度を高精度で検出することができる。
【００２４】
左右駆動機構３５は、図８，図９に示すように、上下駆動部材１２の中に収容されている。この左右駆動機構３５は、上下駆動部材１２の蓋１７の外側に取り付けられた左右駆動モータ４１と、該左右駆動モータ４１の駆動軸に固着されたウォーム４２と、該ウォーム４２に噛合する第１ギヤ列４３ａと、該第１ギヤ列４３ａに噛合する第２ギヤ列４３ｂと、該第２ギヤ列４３ｂに噛合する第３ギヤ列４３ｃと、前記左右駆動軸１３に固着されて前記第３ギヤ列４３ｃに噛合する出力ギヤ４４とからなっている。左右駆動モータ４１の駆動により、第１ギヤ列４３ａ、第２ギヤ列４３ｂ、第３ギヤ列４３ｃ、出力ギヤ４４が順次回動し、左右駆動軸２３が左右に略９０°回動するようになっている。左右駆動軸１３の駆動角度を検出するために、出力ギヤ４４の１つ前の回動角度の大きい第３ギヤ列４３ｃの軸にエンコーダ４５が取り付けられている。これにより、前記上下駆動部材１２と同様に、エンコーダ４５の分解能が高くなり、左右駆動軸１３の駆動角度を高精度で検出することができる。
【００２５】
次に、前記構成からなるロボットの関節装置の組立て手順および動作を説明する。
【００２６】
まず、頭部２の駆動部材９を組み立てる。これには、上下駆動部材１２に左右駆動軸１３と左右駆動機構３５を組み付けた後、左右駆動軸１３の先端に緩衝ベース部材１４を固定部材１５で固定する。そして、この緩衝ベース部材１４の突起２１が緩衝部材１１の貫通孔３１に挿通するようにして、緩衝ベース部材１４の上に緩衝部材１１を載置する。続いて、緩衝ベース部材１４の上に従動部材１０の取付ベース部材２７を載置し、取付ベース部材２７の係合突出片２８を緩衝部材１１の係合溝２９に係合する。緩衝部材１１の係合溝２９の側壁３０は複数に分割されているので、取付ベース部材２７の係合突出片２８を上方から押し付けるだけで、容易に各側壁３０が撓んで、当該係合突出片２８は緩衝部材１１の係合溝２９に係合する。そして、緩衝部材１１の上に押え板３２を載置し、ねじ４６を緩衝ベース部材１４の突起２１のねじ孔２２にねじ込む。これにより、緩衝部材１１は緩衝ベース部材１４と押え板３２との間に挟持されて押え板３２によって抜け止めされる。また、押え板３２の突片３３によって緩衝部材１１の係合溝２９の側壁３０の変形が防止され、係合溝２９と取付ベース部材２７の係合突出片２８との係合が維持される。
【００２７】
一方、胴部１に収納するギヤケース７に上下駆動機構３４を組み付けながら、ギヤケース７の一対の軸受部８に、前述のように組み立てた頭部２の駆動部材９の上下駆動軸１８を嵌合する。続いて、このギヤケース７を胴部１に組み込み、図５に示すように、胴部１の首部５の開口６から、左右駆動軸１３と、該左右駆動軸１３に取り付けられた緩衝ベース部材１４、緩衝部材１１および取付ベース部材２７とが突出するようにする。そして、取付ベース部材２７に頭部本体２６を取り付ける。
【００２８】
このように、胴部１に頭部２を取り付けたロボットでは、図4に示すように、頭部２の駆動部材９と従動部材１０は、緩衝部材１１を介して完全の縁が切れた状態である。すなわち、従動部材１０の取付ベース部材２７は、緩衝部材１１の係合溝２９に係合しているだけで、駆動部材９の緩衝ベース部材１４や、上下駆動部材１２、左右駆動軸１３のいずれとも直接連結されていない。したがって、落下や衝突により、頭部２の従動部材１０に衝撃が作用しても、この衝撃力は緩衝部材１１で吸収，緩和されるので、駆動部材１０や胴部１に伝達されない。このため、頭部本体２６に設けた各種センサが損傷したり、ハーネスが断線する虞れがなくなる。
【００２９】
次に、関節装置の動作について説明する。胴部１のギヤケース７に組み付けられた上下駆動機構３４の上下駆動モータ３６を駆動すると、各ギヤ列３８ａ，３８ｂ，３８ｃを介して上下駆動部材１２が上下駆動軸１８を中心に上下方向に回動する。これにより、図２に示すように、頭部２を所望の角度だけ上下に振らせることができる。また、上下駆動部材１２に組み付けられた左右駆動モータ４１を駆動すると、各ギヤ列４３ａ，４３ｂ，４３ｃを介して左右駆動軸１３が左右に回動する。これにより、頭部２を所望の角度だけ左右に振らせることができる。また、上下駆動モータ３６と左右駆動モータ４１を同時に駆動して、頭部２を任意の方向に向かせることができる。
【００３０】
本実施形態のようなネコ型ロボットでは、表皮３が被着されているので、内部の胴部１や頭部２の筐体にゴミが侵入しやすい。ゴミが侵入すると、関節の動作を妨げる虞れがあるので、関節部にはできるだけ隙間が無いようにする必要がある。本実施形態では、胴部１の首部５のケーシング４、上下駆動部材１２の外表面、取付ベース部材２７の底面は、上下駆動軸１８の軸心と左右駆動軸１３の軸心が公差する点Ｍを中心とするそれぞれ半径Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３の略半球面で形成されており、胴部１の軸受部８と頭部２の上下駆動軸１８が形成する関節部への隙間が殆ど無いので、当該関節部へのゴミの侵入が防止される。
【００３１】
なお、前記実施形態では、一例として胴部１と頭部２の関節装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、胴部１と四肢の関節装置、あるいは、上脚と下脚の関節装置にも適用することができる。また、本実施形態のような動物型ロボットだけでなく、産業用ロボットの本体とアームの関節装置にも適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第１部材の先端に第２部材の基端を関節接続し、第１部材に第２部材を所定の自由度で駆動する駆動機構を備えたロボットの関節装置において、第２部材を駆動機構によって駆動される駆動部材と該駆動部材に連結される従動部材とに分離し、駆動部材の先端に緩衝部材を取り付け、該緩衝部材に従動部材の基端を取り付けたので、駆動部材と従動部材が弾性部材を介して遮断され、従動部材に作用する衝撃が駆動部材に伝達されず、衝撃が吸収，緩和される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる関節装置を備えたネコ型電子ペットであるロボットの頭部と胴部の一部を示す部分破断側面図。
【図２】図１のロボットの頭部を下方に振らせた状態を示す部分破断側面図。
【図３】図１のロボットの頭部の緩衝構造を示す分解斜視図。
【図４】図３の緩衝構造の断面図。
【図５】図１のロボットの頭部本体を取り外した状態の頭部と胴部の斜視図。
【図６】図１のロボットの上下駆動機構を示す平面図。
【図７】図６の上下駆動機構の側面図。
【図８】図１のロボットの左右駆動機構を示す平面図。
【図９】図８の上下駆動機構の斜め下方から見た斜視図。
【符号の説明】
１胴部（第１部材）
２頭部（第２部材）
９駆動部材
１０従動部材
１１緩衝部材
１４緩衝ベース部材
２１突起
２７取付ベース部材
２８係合突出片（係合部）
２９係合溝（被係合部）
３０側壁
３１貫通孔
３２押え板
３３突片
３４上下駆動機構
３５左右駆動機構

Claims

第１部材の略半球状の先端に第２部材の基端を関節接続し、前記第１部材内に収容された駆動機構により前記第２部材を所定の自由度で駆動するロボットの関節装置において、
前記第２部材を前記駆動機構によって駆動される駆動部材と、該駆動部材に連結されゴムからなる環状の緩衝部材と、該緩衝部材に連結され前記駆動部材には連結されない従動部材とに分離し、
前記駆動部材は先端に緩衝ベース部材を有し、該緩衝ベース部材の底を前記第１部材の略半球状の先端に沿う略半球面とし、
前記緩衝部材の底面を前記緩衝ベース部材の底の略半球面に沿う略半球面とし、
前記駆動部材の前記緩衝ベース部材に前記緩衝部材を取り付け、前記従動部材の基端に環状の取付ベース部材を取り付け、前記緩衝部材の外周に形成した係合溝からなる係合部に前記取付ベース部材の内周面に突設した被係合部を係合することにより、前記緩衝部材に前記従動部材の基端を取り付け、
前記第２部材に各種センサを内蔵したことを特徴とするロボットの関節装置。
前記駆動部材の先端に緩衝ベース部材を取り付け、該緩衝ベース部材に前記緩衝部材を設置し、前記緩衝ベース部材に突設した突起に押え板を取り付けて、前記緩衝部材を前記緩衝ベース部材と前記押え板との間に挟持したことを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節装置。
前記緩衝部材は、弾性を有する板状で、前記突起が貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項２に記載のロボットの関節装置。
前記緩衝部材の係合溝を形成する先端側の側壁は周方向に複数に分離されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のロボットの関節装置。
前記押え板は、前記複数の壁部を押さえる突片を有することを特徴とする請求項４に記載のロボットの関節装置。
前記ロボットは、動物型ロボットで、前記第１部材は胴部、前記第２部材は頭部であることを特徴とする請求項１から５に記載のロボットの関節装置。