JP6293033B2 - 環状バネ及びそれを用いたロボット関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、内周部材及び外周部材の一方に伝達された回転駆動力を他方に伝達する環状バネ及びそれを用いたロボット関節機構に関する。

従来、人間と同様に、胴体である基体と、基体の上部に設けられた頭部と、基体の上部左右両側から延設された左右の腕体と、腕体の先端部に設けられた手部と、基体の下部から下方に延設された左右の脚体と、脚体の先端部に取り付けられた足平部とを備えたロボットが知られている。この種のロボットは、人間の肩関節、肘関節、手首関節、股関節、膝関節、足首関節等の関節に相当する複数の関節機構において、腕体や脚体を屈伸運動させることができるようになっている。

そのような屈伸運動を可能とするために用いられる関節機構としては、アクチュエータ等の駆動源と、減速機構から駆動力が伝達される環状バネと、環状バネから駆動力が伝達され、ロボットの各部を屈伸運動させるリンク機構とを備えたものがある。

環状バネとしては、環状の外周部と、外周部の内周側に配置された環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置され、外周部材及び内周部材と一体的に形成された弾性部とを有するものがある。そのような環状バネの弾性部としては、外周部と内周部とが相対回転して荷重が加えられたときにときに曲げ応力が生じる片持ちはり状のものや、ねじり応力が生じるトーションバー状のものがある（例えば、特許文献１参照。）。

このようにして構成されている関節機構では、屈伸させる腕体や脚体が障害物等に接触又は衝突した際の衝撃を環状バネの弾性部で吸収することによって、関節機構を保護している。

特許第４８０１５３４号公報

しかし、従来の環状バネは、荷重が加わったときに曲げ応力やねじり応力が生じるものを弾性部として用いている。そのため、剛性の低さ及び外周部と内周部との相対回転方向の変位量の大きさを衝撃を吸収するために十分な値にしようとする場合には、軸方向の長さや半径を大きくしなければならず、小型化や軽量化が難しいという問題があった。

また、従来の環状バネは、衝撃を受けた際に中心軸がずれてしまうので、中心軸の偏差を小さく抑えるためには、環状バネとともに軸受を用いなければならない。そのため、従来の環状バネを用いたロボット関節機構では、軸受の配置スペースを確保しなければならず、これによっても小型化や軽量化が難しいという問題があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、衝撃を吸収しやすく中心軸の偏差が小さく且つ小型・軽量な環状バネ、及び、それを用いたロボット関節機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の環状バネは、環状の外周部材と、外周部材の内周側に外周部材と同心で相対回転可能に配置された環状の内周部材と、外周部材と内周部材との間に配置された弾性部材とを備えた環状バネであって、弾性部材は、断面形状が円形の弾性体からなり、外周部材の内周面と内周部材の外周面とのいずれか一方には、弾性部材が嵌め込まれる凹部が形成され、他方には、弾性部材が当接するカム面が形成され、カム面は、外周部材と内周部材とが相対回転していない状態における弾性部材との接触点から外周部材又は内周部材の周方向に離れるほど、径方向に突出するように形成され、凹部に嵌め込まれた弾性部材の中心軸が、その凹部が形成された内周面又は外周面よりもカム面から離れた位置となることを特徴とする。

本発明の環状バネの弾性部材は、外周部材と内周部材とが相対回転して荷重が加えられると、カム面によって圧縮するように弾性変形させられる。そして、荷重が加えられなくなると、弾性部材の弾性力によってカム面が押され、外周部材と内周部材との相対位置が、荷重が加えられる前の状態に戻される。

すなわち、弾性部材に圧縮応力が生じるように構成されているので、本発明の環状バネは、衝撃を吸収しやすくするために剛性を低くして外周部材と内周部材との相対回転方向の変位量を大きくしても、従来の環状バネに比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。

また、本発明の環状バネの特性は、弾性部材の弾性力の他、カム面の形状によって定まる。そして、カム面は、外周部材の内周面又は内周部材の外周面に形成されるものであるので、容易に加工できるものである。したがって、本発明の環状バネは、容易に任意の特性を得ることができ、設計自由度が高い。

また、本発明の環状バネの外周部材と内周部材との間のスペースは、弾性部材の凹部から突出した部分を収容できるだけのスペースが確保できればよいので、従来の環状バネよりも狭くすることができる。ひいては、従来の環状バネよりも、内径を大きくしたり、外径を小さくしたりすることができる。

さらに、弾性部材が転動体のように働き、環状バネが全体として軸受として働くので、外周部材と内周部材との相対的な位置のずれ（すなわち、中心軸の偏差）を抑えることができる。したがって、本発明の環状バネを用いて機械装置を構成する場合には、その環状バネを保持するための軸受を省略することができるので、その装置の小型化や軽量化を容易に行うことができる。
また、本発明の環状バネにおいては、凹部に嵌め込まれた弾性部材の中心軸が、その凹部が形成されたその内周面又はその外周面よりもカム面から離れた位置している。これにより、環状バネの特性を変形するために弾性部材を大きく設計した場合であっても外周部材と内周部材との間のスペースの増加を抑えることができるので、中心軸に偏差をさらに小さく抑えることができる。

また、本発明の環状バネにおいては、外周面と内周面との間に転動体を備えていることが好ましい。さらに、本発明の環状バネにおいては、弾性部材は、その弾性部材が嵌め込まれた凹部の中で回転可能であることが好ましい。

このように構成すれば、弾性部材とカム面との摩擦や外周部材と内周部材との摩擦が軽減されるので、外周部材と内周部材との相対回転方向における変位量をさらに大きくするとともに、環状バネの軸受としての性能をさらに向上させることができる。

また、本発明の環状バネにおいては、凹部の縁部は、弧状に面取りされていることが好ましい。

このように構成すれば、弾性部材が弾性変形して凹部に押し広げられるような力が加わり凹部に応力が生じた際にも、縁部には応力が集中しにくくなる。また、弾性部材と接触する凹部の縁部が曲面状となるので、接触面積が大きくなり、弾性部材の周面の一点に荷重が集中することがない。その結果、縁部とそこに接触する弾性部材の周面には破損が生じにくくなる。

上記目的を達成するために、本発明のロボット関節機構は、上記いずれかの環状バネと、駆動源と、環状バネの外周部材又は内周部材に駆動源からの駆動力を減速して伝達する減速機構とを備えることを特徴とする。

このように構成された本発明のロボット関節機構は、従来の環状バネを用いたロボット関節機構に比べて、小型・軽量であり、かつ、衝撃を吸収しやすいものになる。

また、本発明のロボット関節機構としては、減速機構は、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面にサーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有する波動歯車装置であり、環状バネの内周部材にサーキュラスプラインの歯部が設けられているように構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る環状バネの平面図。 図１の環状バネの分解斜視図。 図１の環状バネの要部を拡大した平面図。 図１の環状バネの変形時の状態を説明する模式図であり、図４Ａは荷重が加わっていない状態、図４Ｂは荷重が加わっている状態を示す。 本発明の第２実施形態に係るトルク検出装置及びロボット関節機構を備えたロボットの構成を示す模式図。 図５のロボットの腕体に内蔵された関節機構の構成を示す斜視図。

［第１実施形態］
まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態の環状バネ１の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態の環状バネ１は、環状の外周部材１０と、外周部材１０の内周側に外周部材１０と同心で相対回転可能に配置された環状の内周部材２０と、外周部材１０と内周部材２０との間に配置された複数のパイプスプリング３０（弾性部材）と、外周部材１０と内周部材２０との間であって、パイプスプリング３０の間に配置されたクロスローラベアリング４０とを備えている。

図２に示すように、外周部材１０の内周面には、外周部材１０の中心軸Ｐ１に対してパイプスプリング３０の中心軸Ｐ２が平行となるようにパイプスプリング３０が回転可能に嵌め込まれる複数の凹部１１と、外周側軸受溝１２が形成されている。

内周部材２０の外周面には、パイプスプリング３０に当接するように形成された複数のカム面２１と、内周側軸受溝２２が形成されている。

図３に示すように、外周部材１０の凹部１１の縁部１１ａは、弧状に面取りされている。そのため、パイプスプリング３０が弾性変形して凹部１１に押し広げられるような力が加わって凹部１１に応力が生じた際にも、縁部１１ａには応力が集中しにくくなる。また、パイプスプリング３０と接触する凹部１１の縁部が曲面状となるので、接触面積が大きくなり、パイプスプリング３０の周面の一点に荷重が集中することがない。その結果、縁部１１ａとそこに接触するパイプスプリング３０の周面には破損が生じにくい。

パイプスプリング３０の中心軸Ｐ２は、そのパイプスプリング３０が嵌め込まれる凹部１１が形成された内周面よりも、そのパイプスプリング３０に接触するカム面２１から離れた位置となっている。具体的には、複数のパイプスプリング３０の中心軸Ｐ２をつないだ円（図３において一点鎖線で示した円）の半径が、外周部材１０の内径よりも大きくなっている。

このように構成することによって、環状バネ１では、外周部材１０と内周部材２０との間のスペースをパイプスプリング３０の径よりも極めて小さくすることができるので、外周部材１０に対する内周部材２０の相対位置（すなわち、中心軸Ｐ１の偏差）が、小さく抑えられている。

各々のカム面２１は、第１カム面２１ａと、それに対応する第２カム面２１ｂとによって構成されている。第１カム面２１ａは、外周部材１０と内周部材２０とが相対回転していない状態におけるパイプスプリング３０との接触点から外周部材１０又は内周部材２０の周方向に離れるほど、径方向に突出するように形成されている。第２カム面２１ｂは、第１カム面２１ａに対して外周部材１０の中心軸Ｐ１、及び、荷重が加わっていない状態における内周部材の外周面のパイプスプリング３０との接触点Ｐ３を通る線で線対称となるように形成されている。

パイプスプリング３０は、外周部材１０の凹部１１の内部において、その中心軸Ｐ２を中心として回転可能になっている。また、外周部材１０と内周部材２０との間には、外周側軸受溝１２及び内周側軸受溝２２に嵌め込まれるようにして、クロスローラベアリング４０が配置される（図２参照。）。これらの構成によって、環状バネ１は、パイプスプリング３０とカム面２１との摩擦や外周部材１０と内周部材２０との摩擦を軽減して、外周部材１０と内周部材２０との相対回転方向における変位量を大きくするとともに、軸受としての性能を向上させている。

次に、図４を参照して、本実施形態の環状バネ１に外周部材１０と内周部材２０とを相対回転させる力が加わった場合について説明する。

図４Ａに示すように、環状バネ１に対して外周部材１０と内周部材２０とを相対回転させる力が加わっていない場合には、パイプスプリング３０は弾性変形せず、内周部材２０のカム面２１の最も中心軸Ｐ１側の位置（接触点Ｐ３）で内周部材２０の外周面と接触している。

図４Ｂに示すように、環状バネ１に対して外周部材１０と内周部材２０とを相対回転させる力が加わった場合（図４においては、内周部材２０が外周部材１０に対して径方向に回転した場合）には、パイプスプリング３０はカム面２１によって圧縮するように弾性変形させられ、圧縮応力が生じる。

その後、環状バネ１に対して相対回転するための力が加えられなくなると、パイプスプリング３０の弾性力によってカム面２１が押され、外周部材１０と内周部材２０との相対位置が、力が加えられる前の状態（図４Ａの状態）に戻される。

以上説明した本実施形態の環状バネ１によれば、弾性部材としてパイプスプリング３０を用いており、外周部材１０と内周部材２０とが相対回転した際には、パイプスプリング３０に圧縮応力が生じるように構成されている。そのため、環状バネ１は、衝撃を吸収しやすくするために剛性を低くして外周部材１０と内周部材２０との相対回転方向の変位量を大きくしても、従来の環状バネに比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。

また、環状バネ１の特性は、パイプスプリング３０の他、カム面２１の形状によって定まる。そして、カム面２１は、内周部材２０の外周面に形成されるものであるので、容易に加工ができる。したがって、環状バネ１は、容易に任意の特性を得ることができ、設計自由度が高い。

また、環状バネ１の外周部材１０と内周部材２０との間のスペースは、パイプスプリング３０の凹部１１から突出した部分が収容できれば良いので、従来の環状バネよりも狭くすることができる。ひいては、従来の環状バネよりも、環状バネの内径を大きくしたり、外径を小さくしたりすることができる。

さらに、パイプスプリング３０が転動体のように働き、環状バネ１が全体として軸受として働くので、外周部材１０と内周部材２０との相対的な位置のずれ（すなわち、中心軸Ｐ１の偏差）を抑えることができる。したがって、環状バネ１を用いて機械装置を構成する場合には、環状バネ１を保持するための軸受を省略することができるので、その装置の小型化や軽量化を容易に行うことができる。

以上、図示の第１実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。

例えば、第１実施形態においては、弾性部材として、パイプスプリング３０を用い、それを外周部材１０の凹部１１に嵌め込んでいる。しかし、弾性部材は、断面形状が円形であればよく、円柱形状のものでもよいし、球形状のものでもよい。さらに、弾性部材を、カム面が形成されていない側の面に一体的に形成してもよい。

また、第１実施形態においては、外周部材１０の全ての凹部１１に、パイプスプリング３０を配置している。しかし、凹部と弾性部材を少なくとも１つずつ設ければよい。また、複数の凹部を形成して、弾性部材を凹部よりも少ない数配置するようにしてもよい。

また、第１実施形態においては、パイプスプリング３０が、凹部１１の内部で、回転可能に構成されている。しかし、弾性体は必ずしも回転可能に配置する必要はなく、カム面に押圧されて、弾性変形可能であればよい。

また、第１実施形態においては、外周部材１０の内周面に凹部１１を形成し、内周部材２０の外周面にカム面２１を形成しているが、外周部材の内周面にカム面を形成し、内周部材の外周面に凹部を形成するようにしてもよい。

また、第１実施形態においては、パイプスプリング３０の中心軸Ｐ２は、外周部材１０内周面よりも、そのパイプスプリング３０に接触するカム面２１から離れた位置となっている。しかし、弾性部材の中心軸は、その弾性部材が嵌め込まれる凹部の形成された内周面又は外周面の延長線上にあってもよく、内周面又は外周面よりもカム面に近い位置であってもよい。

また、第１実施形態においては、カム面２１を、第１カム面２１ａと、それに対して線対称となるように形成された第２カム面２１ｂとによって構成している。しかし、カム面は、必要とされる環状バネの特性を実現するための形状であればよく、必ずしも線対称とする必要はない。また、カム面は、直線状の他、曲線状であってもよいし、階段状であってもよい。

また、上記実施形態においては、外周部材１０と内周部材２０との間に、転動体としてクロスローラベアリング４０を配置している。これは、クロスローラベアリングの有する高い剛性を利用するためである。しかし、必ずしも転動体を配置する必要はない。また、転動体を配置する場合であっても、必ずしもクロスローラベアリングである必要はなく、ボールベアリング等の他のベアリングを用いてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態として、第１実施形態の環状バネを用いたロボット関節機構について説明する。本実施形態は、例えば、下記のようなロボットに用いられる。

図５に示すように、ロボットＲは、人間と同様に、胴体である基体５１と、基体５１の上部に設けられた頭部５２と、基体５１の上部左右両側から延設された左右の腕体５３と、腕体５３の先端部に設けられた手部５４と、基体５１の下部から下方に延設された左右の脚体５５と、脚体５５の先端部に取り付けられた足平部５６とを備えている。

ロボットＲは、人間の肩関節、肘関節、手首関節、股関節、膝関節、足首関節等の関節に相当する複数の関節機構において、腕体や脚体を屈伸運動させることができるようになっている。

図６に示すように、ロボットＲの腕体５３に内蔵された関節機構は、腕体５３の前腕部の基体となるベースリンク５３ａと、ベースリンク５３ａと手部５４との間に配置され、手部５４を横振り又は縦振りさせるリンク機構５３ｂと、ベースリンク５３ａの内部に配置されたアクチュエータ５３ｃ（駆動源）と、ベースリンク５３ａの内部に配置され、アクチュエータ５３ｃからの駆動力を減速して伝達する左右一対の波動歯車装置５３ｄと、各々の波動歯車装置５３ｄから延びる駆動アーム５３ｅと、駆動アーム５３ｅとリンク機構５３ｂとに接続された一対のコネクティングロッド５３ｆとを備えている。

このように構成された関節機構によって、ロボットＲの手部５４は、左右一対のコネクティングロッド５３ｆが、ベースリンク５３ａの長手方向に沿って、同一方向に移動した場合には縦振りさせられ、相対的に逆方向となるように移動した場合には横振りさせられる。

波動歯車装置５３ｄは、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面にサーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有している。サーキュラスプラインの歯部は、上記実施形態において示した環状バネの内周部材の内周面に設けられている。また、波動歯車装置５３ｄの駆動アーム５３ｅは、上記実施形態において示した環状バネの外周部材に連結されている。

そのため、アクチュエータ５３ｃから波動歯車装置５３ｄに伝達された駆動力は、環状バネを介して駆動アーム５３ｅに伝達され、コネクティングロッド５３ｆを移動させる。

このように構成された関節機構は、従来の環状バネを用いたロボット関節機構に比べて、小型・軽量となっている。また、腕体５３や手部５４が障害物等にぶつかって衝撃を受けた場合には、環状バネがその衝撃を吸収する。

また、この関節機構では、環状バネが軸受として働くため、環状バネを保持するための軸受が省略されている。そのため、この関節機構は、軸受を配置するためのスペースを設ける必要がないので、従来の関節機構よりも小型、軽量となっている。

以上、図示の第２実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、減速機構を、環状バネの内周部材ではなく、外周部材に連結するようにしてもよい。

また、第２実施形態では、環状バネと波動歯車装置を組み合わせた構成について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、波動歯車装置に代わり遊星歯車機構等の他の減速機構を用いてもよい。

１…環状バネ、１０…外周部材、１１…凹部、１１ａ…縁部、１２…外周側軸受溝、２０…内周部材、２１…カム面、２１ａ…第１カム面、２１ｂ…第２カム面、２２…内周側軸受溝、３０…パイプスプリング（弾性部材）、４０…クロスローラベアリング（転動体）、５１…基体、５２…頭部、５３…腕体、５３ａ…ベースリンク、５３ｂ…リンク機構、５３ｃ…アクチュエータ（駆動源）、５３ｄ…波動歯車装置、５３ｅ…駆動アーム、５３ｆ…コネクティングロッド、５４…手部、５５…脚体、５６…足平部、Ｐ１…外周部材１０の中心点（中心軸）、Ｐ２…パイプスプリング３０の中心軸、Ｐ３…荷重が加えられていない状態における内周部材２０の外周面のパイプスプリング３０との接触点、Ｒ…ロボット。

Claims (6)

1. 環状の外周部材と、前記外周部材の内周側に前記外周部材と同心で相対回転可能に配置された環状の内周部材と、前記外周部材と前記内周部材との間に配置された弾性部材とを備えた環状バネであって、
   前記弾性部材は、断面形状が円形の弾性体からなり、
   前記外周部材の内周面と前記内周部材の外周面とのいずれか一方には、前記弾性部材が嵌め込まれる凹部が形成され、
   他方には、前記弾性部材が当接するカム面が形成され、
   前記カム面は、前記外周部材と前記内周部材とが相対回転していない状態における前記弾性部材との接触点から前記外周部材又は前記内周部材の周方向に離れるほど、径方向に突出するように形成され、
   前記凹部に嵌め込まれた前記弾性部材の中心軸が、該凹部が形成された前記内周面又は前記外周面よりも前記カム面から離れた位置となることを特徴とする環状バネ。
2. 請求項１に記載の環状バネであって、
   前記外周面と前記内周面との間に転動体を備えていることを特徴とする環状バネ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の環状バネであって、
   前記弾性部材は、該弾性部材が嵌め込まれた前記凹部の中で回転可能であることを特徴とする環状バネ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の環状バネであって、
   前記凹部の縁部は、弧状に面取りされていることを特徴とする環状バネ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の環状バネと、駆動源と、前記環状バネの前記外周部材又は前記内周部材に前記駆動源からの駆動力を減速して伝達する減速機構とを備えることを特徴とするロボット関節機構。
6. 請求項５に記載のロボット関節機構であって、
   前記減速機構は、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面に前記サーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有する波動歯車装置であり、
   前記環状バネの前記内周部材に前記サーキュラスプラインの歯部が設けられていることを特徴とするロボット関節機構。