JP5344402B2 - 3自由度能動回転関節 - Google Patents
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Description
本発明は、一対のリンク間に設けられる3自由度能動回転関節であって、前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるX軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと、前記X軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をX軸まわりに回転させると共に前記回転体のY軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Y軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をY軸まわりに回転させると共に前記回転体のX軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、前記Z軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をZ軸まわりに回転させると共に前記回転体のX軸およびY軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする。
以下、第1の実施形態に係る3自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図1は、本実施形態に係る3自由度能動回転関節を示す斜視図である。図2は、本実施形態に係る3自由度能動回転関節の一部を分解した斜視図である。
図1および図2に示すように、3自由度能動回転関節は、一対のリンク10a、10b間に設けられる。
3自由度能動回転関節は、回転球20と、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ100x、100y、100zと、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ100x、100y、100zをそれぞれ支持する可動体110x、110y、110zと、回転球20を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け30と、可動体110x、110y、110zを支持するベース体140とを含んで構成されている。なお、図2では、Y軸用、Z軸用の回転型モータ100y、100zおよび可動体110y、110zは、X軸用の回転型モータ100x、可動体110xと同様の構成であり、省略している。
図3(a)は回転球受け30を上方から見た斜視図であり、図3(b)は回転球受け30の分解斜視図である。
図3(a)、(b)に示すように、回転球受け30は、複数(3つ)の受部材31が結合されて構成されている。受部材31は、それぞれ同一形状であって、略ひし形を湾曲させた形状に形成されている。各受部材31の外周面には、それぞれ円柱状の軸部32x、32y、32z(不図示)が形成されている。軸部32x、32y、32zは、可動体110x、110y、110zの後述する各スライダー支持体114x、114y、114zの内側ベアリング131に嵌合する。回転球受け30が回転球20を支持している状態では、軸部32x、32y、32zの突出方向は、それぞれZ軸、X軸、Y軸に沿った方向となっている。また、各受部材31には、隣接する受部材31同士を結合するために、ボルトを締結するための締結孔33が形成されている。
回転受け40は、それぞれ同一形状の複数(3つ)の受部材41が結合されて構成されている。そして、受部材41は、隣接する受部材41同士を結合するときに各受部材41を容易に位置決めできるように、受部材41の接合面42に凹凸が形成されている。すなわち、図5(b)に示すように、一つの受部材41には2つの接合面42があり、一方の接合面42に凸部43が形成され、他方の接合面42に凹部44が形成されている。この凸部43は、凹部44にちょうど嵌合する形状である。
また、隣接する他の受部材41も、図5(b)に示す受部材41と同一形状であるため、受部材41の凹部44に、隣接する一方の受部材41の凸部43が嵌合し、受部材41の凸部43に、隣接する他方の受部材41の凹部44が嵌合する。すなわち、隣接する受部材41同士の凹凸を合わせることで、受部材41間に段差が生じないように、回転球受け40を組み立てることができる。したがって、回転球受け40は、回転球20を円滑に回転させることができ、回転球20の動特性を向上させることができる。
図2に示すように、可動体110xは、回転型モータ100xを支持するモータ受け111xと、モータ受け111xに一体で形成されたスライダー113xと、スライダー113xを滑動可能に支持するスライダー支持体114xとを含んで構成されている。
スライダー113xは、回転球20と同心円状でY軸を中心に湾曲した角柱状に形成されている。スライダー113xは、モータ受け111xの下部からスライダー支持体114xに向かって、一体で延出している。
スライダー支持体114xは、回転球20と同心円状でY軸を中心に湾曲した中空角柱状に形成されていて、内部でスライダー113xを低摩擦で滑動させることができる。したがって、スライダー113xは、スライダー支持体114xに対して、X−Z平面上でY軸回りに滑動する。
スライダー支持体114xは、2つの側面部115xによって、その骨格が形成されている。図6(b)および図7(a)に示すように、側面部115x間には、複数(4つ)の回動軸116xが水平方向に懸架されている。各回動軸116xは、離間して配置された2つのコロ117xを回動自在に軸支している。
また、各側面部115xには、外側(図7(a)に示すOUT側)の回動軸116xと内側(図7(a)に示すIN側)の回動軸116xとの間に、複数(2つ)の回動軸118xが略鉛直方向に懸架されている。各回動軸118xは、コロ119xを回動自在に軸支している。
スライダー113xがスライダー支持体114x内を滑動するときには、各コロ117x、119xがスライダー113xの各側面を転動することで、スライダー113xはガタつきが発生せず低摩擦で滑動することができる。
また、可動体110xのスライダー支持体114xは、スライダー113xを滑動可能に支持する。したがって、スライダー113xに間接的に結合されたX軸用の回転型モータ100xおよび回転球20は、スライダー113xの湾曲方向、すなわちY軸まわりの回転が許容される。
また、上述したように構成された可動体110xによれば、可動体110xのスライダー支持体114xは、回転球受け30の軸部32xとベース体140の軸部141xとの間で、内側ベアリング131と外側ベアリング130とによって、Z軸まわりに回動できるように支持されている。したがって、X軸用の回転型モータ100xおよび回転球20は、Z軸まわりの回転が許容される。
まず、図8に示す状態から、Y軸用の回転型モータ100yが駆動して回転球20を矢印A方向に回転させると、Y軸用の回転型モータ100xおよびZ軸用の回転型モータ100z(不図示)も同様に矢印A方向に回転する。可動体110xのスライダー支持体114xは、スライダー113xを滑動可能に支持しているので、X軸用の回転型モータ100xの回転と同期して、可動体110xのモータ受け111xおよびスライダー113xが、スライダー支持体114xに対して、Y軸まわりの矢印A´方向に回転し、図9に示す状態となる。
ここで、図9に示すように、回転球20に結合されたリンク10aも同様に、Y軸まわりに回転するので、2リンク間において回転相対運動が可能となる。
ここで、図10に示すように、回転球20に結合されたリンク10aも同様に、Y軸まわりに回転するので、2リンク間において回転相対運動が可能となる。
したがって、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ100x、100y、100zがそれぞれ駆動することにより、回転球20がそれぞれX軸、Y軸、Z軸まわりに回転するので、回転球20に接続されている一方のリンク10aは、他方のリンク10bに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
以下、第2の実施形態に係る3自由度能動回転関節について添付図面を参照して、説明する。図11は、本実施形態に係る3自由度能動回転関節を示す斜視図である。本実施形態の3自由度能動回転関節は、第1の実施形態と異なりX軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータの配置を変更したものであり、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
3自由度能動回転関節は、回転球20と、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zと、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zそれぞれの駆動により回転球20を回転させる可動体210x、210y、210zと、回転球20を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け30と、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zを支持するベース体240とを含んで構成されている。X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zは第1の実施形態と同様の回転型モータが用いられている。なお、第1の実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略する。
ベース体240は、図12に示すように、回転球20と同心球となる中空の球形状を呈している。ベース体240の下端には、鉛直下方向に沿って他方のリンク10bが接続されている。また、ベース体240の上縁部には、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zを支持するモータ受け241x、241y、241zが等間隔に離間して設けられている。各モータ受け241x、241y、241zには、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zの出力軸201x、201y、201z(図12に示す二点鎖線を参照)が挿通される挿通孔242x、242y、242zが形成されている。各モータ受け241x、241y、241zは、各出力軸201x、201y、201zが回転球20の中心を指向するようにX軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zを支持する。なお、各モータ受け241x、241y、241zには、3自由度能動回転関節の加重を受けるために、ベース体240を湾曲させて剛性を向上させている。
ここで、図13および図14を参照して、スライダー支持体211xについて説明する。図13(a)はスライダー支持体211xを回転球20の中心からX軸方向に見た図である。図13(b)は図13(a)を矢印C方向から見た図であり、図13(c)は図13(b)を矢印D方向から見た図である。図13(d)は、図13(a)のII−II線断面斜視図である。
回転受体214xは、モータ連結部材215xと支持体連結部材216xとを含んで構成されている。モータ連結部材215xは、X軸用の回転型モータ200xに対して出力軸201xの軸方向に沿って、図示しない複数の固定ボルトを用いて固定されることで、出力軸201xと同期して回転する。支持体連結部材216xは、図14(b)に示すように、モータ連結部材215xの回り止め突起217xを嵌合してから、出力軸201xの軸方向と直交する方向に図示しない複数の固定ボルトで固定することで、モータ連結部材215xと結合される。
支持体連結部材216xは、左右の側面部212xにより挟み込まれた状態で固定ボルトを用いて両側から固定される。したがって、スライダー支持体211xは、出力軸201xと同期して、X軸まわりに回転する。
ここで、図15を参照して、スライダー220xと軸体230xとについて説明する。スライダー220xの先端には、複数(2つ)のベアリング250が軸方向をY軸方向に沿うようにして、離間して保持されている。したがって、軸体230xは、ベアリング250によってY軸まわりに回転できる。また、軸体230xは、スライダー220xに支持される反対側が、回転球20に結合される。
また、上述したように構成された可動体210xによれば、可動体210xのスライダー220xは、軸体230xをY軸まわりに回転できるように支持している。したがって、軸体230xおよび回転球20は、Y軸まわりの回転が許容される。
まず、図16に示す状態から、Z軸用の回転型モータ200zの駆動により軸体230zが回転球20を矢印E方向に回転させると、軸体230xおよびスライダー220xも回転する。可動体210xのスライダー支持体211xは、スライダー220xを滑動可能に支持しているので、軸体230xおよびスライダー220xはスライダー支持体211xに対して、Z軸まわりの矢印E´方向に回転し、図17に示す状態となる。
ここで、図17に示すように、回転球20に接続されたリンク10aも同様に、Z軸まわりに回転するので、2リンク間において回転相対運動が可能となる。
ここで、図18に示すように、回転球20に接続されたリンク10aも同様に、Z軸まわりに回転するので、2リンク間において回転相対運動が可能となる。
したがって、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zがそれぞれ駆動することにより、回転球20がそれぞれX軸、Y軸、Z軸まわりに回転するので、回転球20に接続されている一方のリンク10aは、他方のリンク10bに対して、任意の回転相対運動が可能となる。
また、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転型モータ200x、200y、200zは回転球20に結合されておらず、ベース体240に均衡して支持されている。したがって、回転球20を軽量化することができると共に重心が3自由度能動回転関節の下方に位置するので、リンクの動特性を向上させることができる。
また、回転型モータの出力軸が特殊な中空軸を用いなくてもよいので、小型で軽量な回転型モータを用いることができ、3自由度能動回転関節を小型で軽量に構成でき、一方のリンク10aの動特性を向上させることができる。
Claims (5)
- 一対のリンク間に設けられる3自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるX軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと、
前記X軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のY軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Y軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のX軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Z軸用の回転アクチュエータの出力軸を前記回転体に結合させる位置で支持すると共に前記回転体のX軸およびY軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各出力軸から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする3自由度能動回転関節。 - 一対のリンク間に設けられる3自由度能動回転関節であって、
前記一対のリンクのうち一方のリンクが接続される回転体と、
各出力軸が前記回転体の中心に指向し相互に直交するように配置され、前記回転体を回転させるX軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと、
前記X軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をX軸まわりに回転させると共に前記回転体のY軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Y軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をY軸まわりに回転させると共に前記回転体のX軸およびZ軸まわりの回転を許容する可動体と、
前記Z軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合され、軸体を介して前記回転体をZ軸まわりに回転させると共に前記回転体のX軸およびY軸まわりの回転を許容する可動体と、を備え、
前記一方のリンクは前記回転体に対して、前記各軸体から略同距離の位置に接続されていることを特徴とする3自由度能動回転関節。 - 前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記受部材は、少なくとも前記回転体の上半分の一部を覆っていることを特徴とする請求項1または2に記載の3自由度能動回転関節。 - 前記回転体を回転自在に支持する回転体受を備え、
前記回転体受は、複数の受部材が結合されて成り、
前記複数の受部材は、互いが接する接合面に凹凸が形成され、前記複数の受部材のそれぞれが同一形状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の3自由度能動回転関節。 - 前記可動体は、前記回転体と同心円状に湾曲したスライダーと、前記スライダーを滑動可能に支持するスライダー支持体とを備え、
前記スライダーが前記スライダー支持体を滑動することで、前記回転体の何れか1つの軸まわりの回転を許容することを特徴とする請求項1ないし4の何れか1項に記載の3自由度能動回転関節。
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