JP2003170381A - 操作装置 - Google Patents

操作装置

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JP2003170381A
JP2003170381A JP2001367328A JP2001367328A JP2003170381A JP 2003170381 A JP2003170381 A JP 2003170381A JP 2001367328 A JP2001367328 A JP 2001367328A JP 2001367328 A JP2001367328 A JP 2001367328A JP 2003170381 A JP2003170381 A JP 2003170381A
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freedom
operating device
swing motion
degree
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Junichiro Shinozaki
順一郎 篠▲崎▼
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Seiko Epson Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸を直交させたまま、３自由度の回転中
心を１点に一致させる。 【解決手段】 直線運動に基づいて、手先Ｈ１の縦振り
動作Ｄ１および横振り動作Ｄ２を行なわせるための３自
由度ユニバーサルジョイントＵＪ１、ＵＪ２を手先Ｈ１
の手首部の上左右端にそれぞれ結合させるとともに、手
先Ｈ１の捻り回転Ｄ３を行なわせるための２自由度ユニ
バーサルジョイントＵＪ３を手首の３自由度の中心とし
て手先Ｈ１の手首部に結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、操作装置に関し、
特に、ロボットハンドやマニュピレータなどに適用して
好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の工業用ロボットでは、例えば、特
開平９−２８５８７４号公報に記載されているように、
パラレルリンク機構を用いた固定・把持ハンドを持つも
のがあた。また、ロボットハンドブック（コロナ社）に
記載されているように、歯車を用いることにより、１点
交差型リスト（手首）機構を構成し、人型ロボットの手
首関節の３軸を１点で交差させたものもあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パラレ
ルリンク機構を用いた固定・把持ハンドでは、１または
２自由度の関節を持つ腕が継ぎ合わせて用いられるた
め、手首に３自由度を持たせることができず、精密な位
置決め制御に時間がかかるという問題があった。また、
歯車を用いて１点交差型リスト機構を実現する方法で
は、機構が複雑になり、軽量化や小型化の妨げになるだ
けでなく、回転軸が直交していないため、運動計算が容
易でないという問題があった。
【０００４】そこで、本発明の目的は、回転軸を直交さ
せたまま、３自由度の回転中心を１点に一致させること
が可能な操作装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１記載の操作装置によれば、直線運動に
基づいて、縦振り動作および横振り動作を行なわせる第
１および第２のユニバーサルジョイントと、３自由度の
中心として捻り回転を行なわせる第３のユニバーサルジ
ョイントとを備えることを特徴とする。これにより、回
転軸を直交させたまま、３自由度の回転中心を１点に一
致させることができ、軽量化およびコンパクト化を図り
つつ、運動学的な座標計算を可能とすることができ、精
密な位置決め制御を俊敏に行なうことができる。
【０００６】また、請求項２記載の操作装置によれば、
前記第１のユニバーサルジョイントを直線運動させる第
１のリニアアクチュエータと、前記第２のユニバーサル
ジョイントを直線運動させる第２のリニアアクチュエー
タと、前記第３のユニバーサルジョイントを回転させる
回転モータとをさらに備えることを特徴とする。これに
より、構成を複雑化することなく、第１および第２のユ
ニバーサルジョイントを直線運動させることが可能とな
るとともに、第３のユニバーサルジョイントを回転させ
ることが可能となり、軽量化およびコンパクト化を図る
ことができる。
【０００７】また、請求項３記載の操作装置によれば、
前記縦振り動作に対応させて、前記第１および第２のリ
ニアアクチュエータを同方向に駆動する第１の駆動制御
手段と、前記横振り動作に対応させて、前記第１および
第２のリニアアクチュエータを逆方向に駆動する第２の
駆動制御手段とをさらに備えることを特徴とする。これ
により、単純な駆動制御を行なうだけで、縦振り動作お
よび横振り動作をさせることができ、運動の演算処理を
簡単化して、精密な位置決め制御を俊敏に行なうことが
できる。
【０００８】また、請求項４記載の操作装置によれば、
前記第１のリアアクチュエータは、前記第１のユニバー
サルジョイントに第１のコネクティングロッドを介して
結合され、第１のネジ溝が切られた第１の移動ブロック
と、前記第１のネジ溝に噛み合わされた第１のネジ部材
と、前記第１のネジ部材を回転させる第１のモータとを
備え、前記第２のリニアアクチュエータは、前記第２の
ユニバーサルジョイントに第２のコネクティングロッド
を介して結合され、第２のネジ溝が切られた第２の移動
ブロックと、前記第２のネジ溝に噛み合わされた第２の
ネジ部材と、前記第２のネジ部材を回転させる第２のモ
ータとを備えることを特徴とする。
【０００９】これにより、回転モータを用いて、縦振り
動作および横振り動作を行なわせることができ、操作装
置のコンパクト化および低コスト化を図ることができ
る。また、請求項５記載の操作装置によれば、第１のネ
ジ部材の軸方向に沿って設けられた第１の案内溝と、前
記第１の案内溝に挿入され、前記第１の移動ブロックに
結合された第１の突起部と、前記第２のネジ部材の軸方
向に沿って設けられた第２の案内溝と、前記第２の案内
溝に挿入され、前記第２の移動ブロックに結合された第
２の突起部とを備えることを特徴とする。
【００１０】これにより、ネジ部材との噛み合わせを利
用して、移動ブロックを移動させる場合においても、移
動ブロックの回転を防止して、直線運動のみを移動ブロ
ックに行なわせることができ、第１および第２のユニバ
ーサルジョイントの位置決めを精度良く行なうことがで
きる。また、請求項６記載の操作装置によれば、前記突
起部は、ベアリングを介して前記案内溝に接しているこ
とを特徴とする。
【００１１】これにより、突起部が案内溝に接する場合
においても、突起部と案内溝との摩擦を抑制して、移動
ブロックを滑らかに直線運動させることが可能となる。
また、請求項７記載の操作装置によれば、前記ユニバー
サルジョイントは、軸受段付ネジが、軸受を介して十字
部材にねじ込まれていることを特徴とする。これによ
り、軸受段付ネジを、軸受を介して十字部材にねじ込む
だけで、軸受を十字部材に取り付けた状態で、軸受が軸
受段付ネジの回りを回転可能とすることができ、ユニバ
ーサルジョイントの構成を簡単化することができる。
【００１２】また、請求項８記載の操作装置によれば、
直線運動に基づいて、縦振り動作および横振り動作を行
なわせる第１および第２のユニバーサルジョイントと、
２自由度の中心として捻り回転を行なわせる第３のユニ
バーサルジョイントと、前記第１および第２のユニバー
サルジョイントを固定軸の回りに回転させる回転手段と
を備えることを特徴とする。これにより、捻り回転が行
なわれる部位と、縦振り動作および横振り動作が行なわ
れる部位とを分離することができ、捻り回転を行なうた
めの機構を縦振り動作および横振り動作が行なわれる部
位に配置する必要がなくなることから、コンパクト化を
図ることが可能となるとともに、制御も単純化すること
ができる。
【００１３】また、請求項９記載の操作装置によれば、
直線運動に基づいて、縦振り動作および横振り動作を行
なわせる第１および第２のユニバーサルジョイントと、
２自由度の中心として捻り回転を行なわせる第３のユニ
バーサルジョイントと、前記第１のユニバーサルジョイ
ントを直線運動させる第１のリニアアクチュエータと、
前記第２のユニバーサルジョイントを直線運動させる第
２のリニアアクチュエータと、前記第１、第２および第
３ののユニバーサルジョイントならびに前記第１および
第２のリニアアクチュエータを固定する固定ブロック
と、前記固定ブロックを支持する支持ブロックと、固定
軸の回りに回転可能な状態で前記支持ブロックを支持す
る軸受部と、前記支持ブロックに取り付けられた回転モ
ータと、前記回転モータの回転力を前記固定軸に伝える
歯車とを備えることを特徴とする。
【００１４】これにより、第１および第２のユニバーサ
ルジョイントが固定軸に対して傾いた状態で、固定軸の
回りの円周上を回転することができ、捻り回転が行なわ
れる部位と、縦振り動作および横振り動作が行なわれる
部位とを分離した場合においても、位置決め制御を容易
に行なうことが可能となる。また、請求項１０記載の操
作装置によれば、前記固定ブロックは、前記第３のユニ
バーサルジョイントが前記固定軸の軸線上に位置するよ
うに、前記支持ブロックに固定されていることを特徴と
する。
【００１５】これにより、捻り回転が行なわれる部位
と、縦振り動作および横振り動作が行なわれる部位とを
分離した場合においても、ＸＹＺ軸の回りの任意の方向
に回転させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る操
作装置について、ロボットハンドを例にとって説明す
る。図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットバン
ドの概略構成を示す斜視図、図２は、本発明の第１実施
形態に係るロボットバンドの概略構成を示す側面図であ
る。
【００１７】図１、２において、３自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ１、ＵＪ２が手先Ｈ１の手首部の上左右
端にそれぞれ結合されるとともに、２自由度ユニバーサ
ルジョイントＵＪ３が３自由度の中心として手先Ｈ１の
手首部に結合されている。ここで、３自由度ユニバーサ
ルジョイントＵＪ１、ＵＪ２は、２自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ３の支点軸回りの円弧運動に基づいて、
手先Ｈ１の縦振り動作Ｄ１および横振り動作Ｄ２を行な
わせることができる。また、２自由度ユニバーサルジョ
イントＵＪ３は、手首の３自由度の中心として手先Ｈ１
の捻り回転Ｄ３を行なわせることができる。
【００１８】一方、ベース板Ｂ１上には、突起部Ｔ１、
Ｔ１’、Ｔ２、Ｔ２’が設けられ、各突起部Ｔ１、Ｔ
１’、Ｔ２、Ｔ２’には、ベアリングＢＬ１、ＢＬ
１’、ＢＬ２、ＢＬ２’がそれぞれ設けられている。そ
して、突起部Ｔ１、Ｔ１’の間には、ベアリングＢＬ
１、ＢＬ１’で支持されるように、ネジＮ１が架設され
るとともに、突起部Ｔ２、Ｔ２’の間には、ベアリング
ＢＬ２、ＢＬ２’で支持されるように、ネジＮ２が架設
されている。
【００１９】さらに、突起部Ｔ１、Ｔ１’の間には、移
動ブロックＭＢ１が設けられるとともに、突起部Ｔ２、
Ｔ２’の間には、移動ブロックＭＢ２が設けられてい
る。ここで、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２には、ネジ
Ｎ１、Ｎ２のネジ山に対応したネジ溝が形成され、各移
動ブロックＭＢ１、ＭＢ２は、各移動ブロックＭＢ１、
ＭＢ２のネジ溝とネジＮ１、Ｎ２のネジ山とが噛み合う
ように、ネジＮ１、Ｎ２によってそれぞれ貫かれてい
る。
【００２０】また、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２に
は、突回り止め軸が設けられるとともに、ベース板Ｂ１
には、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２の移動方向に沿っ
て案内溝Ｚ１、Ｚ２が形成され、各回り止め軸は、案内
溝Ｚ１、Ｚ２にそれぞれ挿入されている。図３は、本発
明の第１実施形態に係るロボットバンドにおける移動ブ
ロックの回り止め機構の構成を示す断面図である。
【００２１】図３において、例えば、移動ブロックＭＢ
１の下部には回り止め軸ＳＪが設けられ、この回り止め
軸ＳＪはベアリングＢＬ３を介して案内溝Ｚ１に接して
いる。そして、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２には、２
自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１’、ＵＪ２’がそ
れぞれ設けられ、各２自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１’、ＵＪ２’は、コネクティングロッドＲＤ１、Ｒ
Ｄ２を介して３自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１、
ＵＪ２にそれぞれ連結されている。
【００２２】また、ベース板Ｂ１上において、各突起部
Ｔ１、Ｔ２の後方にはモータＭ１、Ｍ２がそれぞれ設け
られ、各モータＭ１、Ｍ２は、カップリングＣＰ１、Ｃ
Ｐ２を介してネジＮ１、Ｎ２にそれぞれ接続されてい
る。さらに、ベース板Ｂ１の前方にはモータＭ３が設け
られ、モータＭ３の回転軸ＪＭは、減速機Ｄ１を介して
２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ３に接続されてい
る。
【００２３】次に、図１、２のロボットバンドの動作に
ついて説明する。手先Ｈ１の縦振り動作Ｄ１をさせる場
合、モータＭ１、Ｍ２を同方向に回転させることによ
り、ネジＮ１、Ｎ２を同方向に回転させる。すると、各
移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２がネジＮ１、Ｎ２に沿って
同一方向に直線運動し、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２
の同一方向の直線運動成分がコネクティングロッドＲＤ
１、ＲＤ２を介して３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１、ＵＪ２にそれぞれ伝えられる。
【００２４】ここで、３自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ１、ＵＪ２は、手先Ｈ１の手首部の上左右端にそれ
ぞれ結合されるとともに、２自由度ユニバーサルジョイ
ントＵＪ３が３自由度の中心として手先Ｈ１の手首部に
結合されているため、３自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ１、ＵＪ２は、２自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ３の水平軸ＪＳの回りを回転し、手先Ｈ１の縦振り動
作（Ｄ１）を行なわせることができる。
【００２５】また、手先Ｈ１の横振り動作Ｄ２をさせる
場合、モータＭ１、Ｍ２を逆方向に回転させることによ
り、ネジＮ１、Ｎ２を逆方向に回転させる。すると、各
移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２がネジＮ１、Ｎ２に沿って
逆方向に直線運動し、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２の
逆方向の直線運動成分がコネクティングロッドＲＤ１、
ＲＤ２を介して３自由度ユニバーサルジョイントＵＪ
１、ＵＪ２にそれぞれ伝えられる。
【００２６】ここで、３自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ１、ＵＪ２は、手先Ｈ１の手首部の上左右端にそれ
ぞれ結合されるとともに、２自由度ユニバーサルジョイ
ントＵＪ３が３自由度の中心として手先Ｈ１の手首部に
結合されているため、３自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ１、ＵＪ２は、２自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ３の垂直軸ＪＨの回りを回転し、手先Ｈ１の横振り動
作（Ｄ２）を行なわせることができる。
【００２７】ここで、ネジＮ１、Ｎ２の回転運動を移動
ブロックＭＢ１、ＭＢ２の直線運動に変換する場合、例
えば、移動ブロックＭＢ１に回り止め軸ＳＪ１を設け、
案内溝Ｚ１に沿って移動ブロックＭＢ１を導くことによ
り、ネジＮ１、Ｎ２の回転につられて、移動ブロックＭ
Ｂ１、ＭＢ２が回転することを防止することができる。
また、手先Ｈ１の捻り回転Ｄ３をさせる場合、モータＭ
３を回転させることにより、モータＭ３の回転軸ＪＭの
回りに２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ３を回転さ
せる。
【００２８】すると、２自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ３の回転に伴って、手先Ｈ１が回転軸ＪＭの回りに
回転し、手先Ｈ１の捻り回転Ｄ３を行わせることができ
る。ここで、手先Ｈ１の上左右端は、３自由度ユニバー
サルジョイントＵＪ１、ＵＪ２および２自由度ユニバー
サルジョイントＵＪ１’、ＵＪ２’を介して、移動ブロ
ックＭＢ１、ＭＢ２に結合されているので、手先Ｈ１の
捻り回転Ｄ３に伴って、３自由度ユニバーサルジョイン
トＵＪ１、ＵＪ２が回転軸ＪＭの回りの円周上を移動す
る場合においても、コネクティングロッドＲＤ１、ＲＤ
２をクロスさせて、３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１、ＵＪ２を手先Ｈ１の捻り回転Ｄ３に追従させるこ
とができる。
【００２９】このように、３自由度ユニバーサルジョイ
ントＵＪ１、ＵＪ２および２自由度ユニバーサルジョイ
ントＵＪ３を手首部に設けることにより、３個の回転軸
ＪＨ、ＪＳ、ＪＭを直交させたまま、３自由度の回転中
心を１点に一致させることができる。このため、モータ
Ｍ１〜Ｍ３の単純な駆動制御を行なうだけで、手首の３
自由度の動作（縦振り動作Ｄ１、横振り動作Ｄ２および
捻り回転Ｄ３）をさせることができ、運動の演算処理を
簡単化して、精密な位置決め制御を俊敏に行なうことが
できる。
【００３０】なお、３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１、ＵＪ２および２自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１’、ＵＪ２’、ＵＪ３には軸受段付ネジを設け、軸
受を介して十字部材に軸受段付ネジをねじ込むことによ
り、３自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１、ＵＪ２お
よび２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１’、ＵＪ
２’、ＵＪ３の構成を簡易化することができる。図４
は、本発明の第１実施形態に係るロボットバンドにおけ
るユニーバーサルジョイントの構成を分解して示す斜視
図である。
【００３１】図４において、各軸受段付ネジＮＪ１、Ｎ
Ｊ１’、ＮＪ２、ＮＪ２’には、軸受金具ＪＲ１、ＪＲ
２を受け止めるための段差ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＳ１’、
ＤＳ２’がそれぞれ設けられている。そして、各軸受段
付ネジＮＪ１、ＮＪ１’、ＮＪ２、ＮＪ２’は、軸受金
具ＪＲ１、ＪＲ２を介して十字部材ＪＢにねじ込まれ
る。これにより、各軸受段付ネジＮＪ１、ＮＪ１’、Ｎ
Ｊ２、ＮＪ２’を十字部材ＪＢにねじ込むだけで、軸受
金具ＪＲ１、ＪＲ２が水平軸ＪＳおよび垂直軸ＪＨの回
りを回転可能とすることができ、３自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ１、ＵＪ２および２自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ１’、ＵＪ２’、ＵＪ３の構成を簡単化
することができる。
【００３２】図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る
ロボットバンドの駆動方法を説明するための各点の座標
を示す図、図５（ｂ）は、ｘ軸の回りの回転後の座標を
示す図である。図５において、Ｏは原点（０、０、
０）、Ｃは図１の２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ
３の回転中心、Ａは３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１の中心、Ｂは３自由度ユニバーサルジョイントＵＪ
２の中心、θXはｘ軸回りの回転角、θYはｙ軸回りの回
転角、θZはｚ軸回りの回転角、ｄはＯＣ間距離、ｈは
２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ３の回転中心と３
自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１、ＵＪ２の中心と
のｚ方向の距離、ｌは２自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ３の回転中心と３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１、ＵＪ２の中心とのｙ方向の距離、Ａ’はｘ軸回り
にＡ点をθXだけ回転させた点（）、Ａ’’はｙ軸回
りにＡ’点をθYだけ回転させた点（）、Ａ’’’は
ｚ軸回りにＡ’’点をθZだけ回転させた点（）であ
る。
【００３３】ここで、Ｃ点の座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）
＝（ｄ、０、０）である。また、Ａ3点の座標（ＸA3、
ＹA3、ＺA3）は、 ＸA3＝ｄ＋ｈ×ｓｉｎθY−ｌ×ｓｉｎθZ×ｃｏｓθY ・・・（１） ＹA3＝ｌ×ｃｏｓθX×ｃｏｓθZ −（ｈ×ｃｏｓθY＋ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY）×ｓｉｎθX ・・・（２） ＺA3＝ｌ×ｃｏｓθZ×ｓｉｎθX ＋（ｈ×ｃｏｓθY＋ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY）×ｃｏｓθX ・・・（３） となる。
【００３４】また、Ｂ3点の座標（ＸB3、ＹB3、ＺB3）
は、 ＸB3＝ｄ＋ｈ×ｓｉｎθY＋ｌ×ｓｉｎθZ×ｃｏｓθY ・・・（４） ＹB3＝−ｌ×ｃｏｓθX×ｃｏｓθZ −（ｈ×ｃｏｓθY−ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY）×ｓｉｎθX ・・・（５） ＺB3＝−ｌ×ｃｏｓθZ×ｓｉｎθX ＋（ｈ×ｃｏｓθY−ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY）×ｃｏｓθX ・・・（６） となる。
【００３５】ここで、手首の捻り回転を肘部に移し、手
首を２自由度にした場合、θX＝０と置くことができ
る。このため、Ａ3点の座標（ＸA3、ＹA3、ＺA3）は、 ＸA3＝ｄ＋ｈ×ｓｉｎθY−ｌ×ｓｉｎθZ×ｃｏｓθY ・・・（１’） ＹA3＝ｌ×ｃｏｓθZ ・・・（２’） ＺA3＝ｈ×ｃｏｓθY＋ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY ・・・（３’） となる。
【００３６】また、Ｂ3点の座標（ＸB3、ＹB3、ＺB3）
は、 ＸB3＝ｄ＋ｈ×ｓｉｎθY＋ｌ×ｓｉｎθZ×ｃｏｓθY ・・・（４’） ＹB3＝−ｌ×ｃｏｓθZ ・・・（５’） ＺB3＝ｈ×ｃｏｓθY−ｌ×ｓｉｎθZ×ｓｉｎθY ・・・（６’） となる。このため、手首の捻り回転を肘部に移すことに
より、計算を簡略化することができる。
【００３７】図６は、本発明の一実施形態に係るロボッ
トバンドの駆動方法を説明するための各点の回転後の座
標を示す図である。図６において、Ｏは原点（０、０、
０）、Ｃは図１の２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ
３の回転中心、Ａは３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１の中心、Ｂは３自由度ユニバーサルジョイントＵＪ
２の中心、θXはｘ軸回りの回転角、θYはｙ軸回りの回
転角、θZはｚ軸回りの回転角、ｄはＯＣ間距離、ｈは
２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ３の回転中心と３
自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１、ＵＪ２の中心と
のｚ方向の距離、ｌは２自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ３の回転中心と３自由度ユニバーサルジョイントＵ
Ｊ１、ＵＪ２の中心とのｙ方向の距離、ｄ0はコネクテ
ィングロッドＲＤ１、ＲＤ２の長さ、ｈ0は原点Ｏから
の移動ブロックＭＢ１、ＭＢのｚ方向の距離、ｌ0は原
点Ｏからの移動ブロックＭＢ１、ＭＢのｙ方向の距離、
Ａ1はｘ軸回りにＡ点をθXだけ回転させた点、Ａ2はｙ
軸回りにＡ1点をθYだけ回転させた点、Ａ3はｚ軸回り
にＡ2点をθZだけ回転させた点、Ｂ1はｘ軸回りにＢ点
をθXだけ回転させた点、Ｂ2はｙ軸回りにＢ1点をθYだ
け回転させた点、Ｂ3はｚ軸回りにＢ2点をθZだけ回転
させた点、ＳA、ＳBは各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２の
繰り出し量である。
【００３８】 ここで、 ｄ0＝√（ｄ2＋（ｌ−ｌ0）2＋（ｈ−ｈ0）2） ・・・（７） が成り立つ。従って、 ｄ0 2＝ｄ2＋（ｌ−ｌ0）2＋（ｈ−ｈ0）2 ・・・（８） となる。また、 （ＸA3−ＳA）2＋（ＹA3−ｌ0）2＋（ＺA3−ｈ0）2＝ｄ0 2 ・・・（９） が成り立つ。従って、 ＳA＝ＸA3−√（ｄ0 2−（ＹA3−ｌ0）2−（ＺA3−ｈ0）2） ・・・（１０） となる。同様に、 （ＸB3−ＳB）2＋（ＹB3−ｌ0）2＋（ＺB3−ｈ0）2＝ｄ0 2 ・・・（１１） が成り立つ。従って、 ＳB＝ＸB3−√（ｄ0 2−（ＹB3−ｌ0）2−（ＺB3−ｈ0）2） ・・・（１２） となる。
【００３９】この結果、ｘ、ｙ、Ｘ軸回りの手先Ｈ１の
回転角θX、θY、θZがそれぞれ与えられると、（１）
〜（６）式に従って、Ａ3点の座標（ＸA3、ＹA3、
ＺA3）およびＢ3点の座標（ＸB3、ＹB3、ＺB3）を計算
し、これらの値を（１０）、（１２）式にそれぞれ代入
することにより、各移動ブロックＭＢ１、ＭＢ２の繰り
出し量ＳA、ＳBを算出することができる。このため、運
動学的な座標計算に基づいて、各モータＭ１、Ｍ２の駆
動制御を行なうことができ、精密な位置決め制御を俊敏
に行なうことができる。
【００４０】図７は、本発明の第２実施形態に係るロボ
ットバンドの概略構成を示す斜視図、図８は、本発明の
第２実施形態に係るロボットバンドの概略構成を示す側
面図である。なお、この第２実施形態は、手首の捻り回
転機能を肘部に移し、手首を２自由度にしたものであ
る。この場合は、手首部の上左右部のユニバーサルジョ
イントＵＪ１１、ＵＪ１２は、２自由度で良い。図７、
８において、２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１
１、ＵＪ１２が手先Ｈ１１の手首部の上左右端にそれぞ
れ結合されるとともに、２自由度ユニバーサルジョイン
トＵＪ１３が２自由度の中心として手先Ｈ１１の手首部
に結合されている。ここで、２自由度ユニバーサルジョ
イントＵＪ１１、ＵＪ１２は、２自由度ユニバーサルジ
ョイントＵＪ１３の支点軸回りの円弧運動に基づいて、
手先Ｈ１１の縦振り動作Ｄ１１および横振り動作Ｄ１２
を行なわせる。
【００４１】一方、ベース板Ｂ１１上には、突起部Ｔ１
１、Ｔ１１’、Ｔ１２、Ｔ１２’が設けられ、各突起部
Ｔ１１、Ｔ１１’、Ｔ１２、Ｔ１２’には、ベアリング
ＢＬ１１、ＢＬ１１’、ＢＬ１２、ＢＬ１２’がそれぞ
れ設けられている。そして、突起部Ｔ１１、Ｔ１１’の
間には、ベアリングＢＬ１１、ＢＬ１１’で支持される
ように、ネジＮ１１が架設されるとともに、突起部Ｔ１
２、Ｔ１２’の間には、ベアリングＢＬ１２、ＢＬ１
２’で支持されるように、ネジＮ１２が架設されてい
る。
【００４２】さらに、突起部Ｔ１１、Ｔ１１’の間に
は、移動ブロックＭＢ１１が設けられるとともに、突起
部Ｔ１２、Ｔ１２’の間には、移動ブロックＭＢ１２が
設けられている。ここで、各移動ブロックＭＢ１１、Ｍ
Ｂ１２には、ネジＮ１１、Ｎ１２のネジ山に対応したネ
ジ溝が形成され、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２
は、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２のネジ溝とネジ
Ｎ１１、Ｎ１２のネジ山とが噛み合うように、ネジＮ１
１、Ｎ１２によってそれぞれ貫かれている。
【００４３】また、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２
には、突回り止め軸が設けられるとともに、ベース板Ｂ
１１には、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２の移動方
向に沿って案内溝Ｚ１１、Ｚ１２が形成され、各回り止
め軸は、案内溝Ｚ１１、Ｚ１２にそれぞれ挿入されてい
る。そして、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２には、
２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１１’、ＵＪ1
２’がそれぞれ設けられ、各２自由度ユニバーサルジョ
イントＵＪ１１’、ＵＪ１２’は、コネクティングロッ
ドＲＤ１１、ＲＤ１２を介して２自由度ユニバーサルジ
ョイントＵＪ１１、ＵＪ１２にそれぞれ連結されてい
る。
【００４４】また、ベース板Ｂ１１上において、各突起
部Ｔ１１、Ｔ１２の後方にはモータＭ１１、Ｍ１２がそ
れぞれ設けられ、各モータＭ１１、Ｍ１２は、カップリ
ングＣＰ１１、ＣＰ１２を介してネジＮ１１、Ｎ１２に
それぞれ接続されている。さらに、ベース板Ｂ１１の後
方には、支持ブロックＳＢを嵌め込むための凹部Ｕが形
成され、凹部Ｕの両側の延伸部ＵＫ１、ＵＫ２には、ネ
ジ止め部Ｓ１〜Ｓ４が設けられている。
【００４５】一方、支持ブロックＳＢは、ベース板Ｂ１
１を固定するためのもので、支持ブロックＳＢの回転中
心となる固定軸ＫＪを介して、肘部ＨＪに結合されてい
る。ここで、支持ブロックＳＢの両側には、ベース板Ｂ
１１の延伸部ＵＫ１、ＵＫ２を載せるための棚ＴＮ１、
ＴＮ２が設けられるとともに、棚ＴＮ１、ＴＮ２にはネ
ジ止め部Ｓ１’、Ｓ２’が設けられている。そして、ベ
ース板Ｂ１１の延伸部ＵＫ１、ＵＫ２を棚ＴＮ１、ＴＮ
２に載せた状態で、例えば、ネジ止め部Ｓ１、Ｓ１’お
よびネジ止め部Ｓ２、Ｓ２’をそれぞれネジ止めするこ
とにより、ベース板Ｂ１１を支持ブロックＳＢに固定す
ることができる。
【００４６】さらに、支持ブロックＳＢ内にはモータＭ
１３が設けられ、モータＭ１３の回転軸には歯車ＨＧ２
が結合されるとともに、肘部ＨＪに取り付けられた固定
軸ＫＪには、歯車ＨＧ２と噛み合うように、歯車ＨＧ１
が取り付けられている。次に、図７、８のロボットバン
ドの動作について説明する。手先Ｈ１１の縦振り動作Ｄ
１１をさせる場合、モータＭ１１、Ｍ１２を同方向に回
転させることにより、ネジＮ１１、Ｎ１２を同方向に回
転させる。
【００４７】すると、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１
２がネジＮ１１、Ｎ１２に沿って同一方向に直線運動
し、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２の同一方向の直
線運動成分がコネクティングロッドＲＤ１１、ＲＤ１２
を介して２自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１１、Ｕ
Ｊ１２にそれぞれ伝えられる。ここで、２自由度ユニバ
ーサルジョイントＵＪ１１、ＵＪ１２は、手先Ｈ１１の
手首部の上左右端にそれぞれ結合されるとともに、２自
由度ユニバーサルジョイントＵＪ１３が２自由度の中心
として手先Ｈ１１の手首部に結合されているため、２自
由度ユニバーサルジョイントＵＪ１１、ＵＪ１２は、２
自由度ユニバーサルジョイントＵＪ１３の水平軸ＪＳの
回りを回転し、手先Ｈ１１の縦振り動作（Ｄ１１）を行
なわせることができる。
【００４８】また、手先Ｈ１１の横振り動作Ｄ１２をさ
せる場合、モータＭ１１、Ｍ１２を逆方向に回転させる
ことにより、ネジＮ１１、Ｎ１２を逆方向に回転させ
る。すると、各移動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２がネジ
Ｎ１１、Ｎ１２に沿って逆方向に直線運動し、各移動ブ
ロックＭＢ１１、ＭＢ１２の逆方向の直線運動成分がコ
ネクティングロッドＲＤ１１、ＲＤ１２を介して２自由
度ユニバーサルジョイントＵＪ１１、ＵＪ１２にそれぞ
れ伝えられる。
【００４９】ここで、２自由度ユニバーサルジョイント
ＵＪ１１、ＵＪ１２は、手先Ｈ１１の手首部の上左右端
にそれぞれ結合されるとともに、２自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ１３が２自由度の中心として手先Ｈ１１
の手首部に結合されているため、２自由度ユニバーサル
ジョイントＵＪ1１、ＵＪ１２は、２自由度ユニバーサ
ルジョイントＵＪ１３の垂直軸ＪＨの回りを回転し、手
先Ｈ１１の横振り動作（Ｄ１２）を行なわせることがで
きる。
【００５０】また、ネジＮ１１、Ｎ１２の回転運動を移
動ブロックＭＢ１１、ＭＢ１２の直線運動に変換する場
合、例えば、移動ブロックＭＢ１１に回り止め軸ＳＪ１
１を設け、案内溝Ｚ１１に沿って移動ブロックＭＢ１１
を導くことにより、ネジＮ１１の回転につられて、移動
ブロックＭＢ１１が回転することを防止することができ
る。また、手先Ｈ１１の回転Ｄ１３を行なう場合、モー
タＭ１３を回転させて、歯車ＨＧ２を回転させる。
【００５１】すると、歯車ＨＧ２の回転力が歯車ＨＧ１
に伝わり、歯車ＨＧ１は固定軸ＫＪに固定されているた
め、歯車ＨＧ２は歯車ＨＧ１から反作用を受けて、歯車
ＨＧ１の回りを転動回転し、肘部ＨＪから先の手先全体
を捻り回転させる。すなわち、固定軸ＫＪは肘部ＨＪに
固定され、支持ブロックＳＢは固定軸ＫＪに対して回転
可能とされているとともに、モータＭ１３は支持ブロッ
クＳＢに固定されている。
【００５２】この結果、歯車ＨＧ２が回転すると、歯車
ＨＧ１が固定軸ＫＪに固定されているので、歯車ＨＧ２
が歯車ＨＧ１の円周に沿って転動回転し、支持ブロック
ＳＢおよびモータＭ１３が一体となって固定軸ＫＪの回
りの円周上を回転する。このため、支持ブロックＳＢに
固定されているベース板Ｂ１１が、支持ブロックＳＢの
回転に伴って、固定軸ＫＪの回りの円周上を回転し、手
先Ｈ１１が固定軸ＫＪの回りを回転する。
【００５３】ここで、ベース板Ｂ１１は、第３のユニバ
ーサルジョイントＵＪ１３が固定軸ＫＪの軸線上に位置
するように、支持ブロックＳＢに固定されることが好ま
しく、これにより、手首の回転機構を肘に移した場合に
おいても、ＸＹＺ軸の回りの任意の方向に回転させるこ
とができる。ここで、ベース板Ｂ１１を支持ブロックＳ
Ｂに固定した時に、第３のユニバーサルジョイントＵＪ
１３が固定軸ＫＪの軸線上に位置するようにするため
に、例えば、棚ＴＮ１、ＴＮ２を支持ブロックＳＢに傾
けて取り付けるようにしてもよい。
【００５４】これにより、ベース板Ｂ１１の延伸部ＵＫ
１、ＵＫ２を棚ＴＮ１、ＴＮ２に載せるだけで、第３の
ユニバーサルジョイントＵＪ１３が固定軸ＫＪの軸線上
に位置するように、ベース板Ｂ１１を支持ブロックＳＢ
に固定することができる。このように、上述した第２実
施形態によれば、手首の回転機構を肘に移し、手首を２
自由度にすることにより、さらなるコンパクト化を図り
つつ、制御も単純化することができる。
【００５５】なお、上述した実施形態では、ユニバーサ
ルジョイントＵＪ１、ＵＪ２、ＵＪ１１、ＵＪ１２をユ
ニバーサルジョイントＵＪ３もしくはＵＪ１３回りの円
弧状回転運動させるために、回転モータＭ１、Ｍ２、Ｍ
１１、Ｍ１２およびネジＮ１、Ｎ２、Ｎ１１、Ｎ１２を
用いる方法について説明したが、ネジネジＮ１、Ｎ２、
Ｎ１１、Ｎ１２の代わりに、ラックアンドピニオンなど
の回転／直線運動変換機構を用いるようにしてもよい。
【００５６】また、ユニバーサルジョイントＵＪ１、Ｕ
Ｊ２、ＵＪ１１、ＵＪ１２を駆動させるために、リニア
モータを用いるようにしてもよい。また、動作の位置を
計測して制御をかける場合、アクチュエータの回転や直
線移動量を計測するポテンショメータやエンコーダ、リ
ニアセンサなどを配置して、計測するようにしてもよい
し、ポテンショメータやエンコーダを用いて、ユニバー
サルジョイントの回転角を計測するようにしてもよい。
【００５７】さらに、上述した実施形態では、ロボット
ハンドを例にとって説明したが、ロボットの肘や肩や首
などの関節、ロボットの目の運動機構、マニュピレータ
の関節、全方向可動プロジェクタや追尾用カメラなどの
雲台などに用いるようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転軸を直交させたまま、３自由度の回転中心を１点に
一致させることができ、運動の演算を容易に行なうこと
が可能となるとともに、軽量化およびコンパクト化を図
ることができるので、精密な位置決め制御を俊敏に行な
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロボットバンドの
概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るロボットバンドの
概略構成を示す側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るロボットバンドに
おける移動ブロックの回り止め機構の構成を示す断面図
である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るロボットバンドに
おけるユニーバーサルジョイントの構成を分解して示す
斜視図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係るロボ
ットバンドの駆動方法を説明するための各点の座標を示
す図、図５（ｂ）は、ｘ軸の回りの回転後の座標を示す
図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るロボットバンドの駆
動方法を説明するための各点の回転後の座標を示す図で
ある。
【図７】本発明の第２実施形態に係るロボットバンドの
概略構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るロボットバンドの
概略構成を示す側面図である。
【符号の説明】
Ｈ１、Ｈ１１ 手先 ＵＪ１、ＵＪ２ ３自由度ユニバーサルジョイント ＪＳ、ＪＨ、ＪＭ 回転軸 Ｄ１、Ｄ１１ 縦振り動作 Ｄ２、Ｄ１２ 横振り動作 Ｄ３、Ｄ１３ 捻り回転 ＵＪ１’、ＵＪ２’、ＵＪ３、ＵＪ１１、ＵＪ１２、Ｕ
Ｊ１１’、ＵＪ１２’、ＵＪ１３ ２自由度ユニバーサ
ルジョイント Ｂ１、Ｂ１１ ベース板 Ｍ１〜Ｍ３、Ｍ１１〜Ｍ１３ モータ ＣＰ１、ＣＰ２ カップリング Ｄ１ 減速機 Ｔ１、Ｔ１’、Ｔ２、Ｔ２’、 Ｔ１１、Ｔ１１’、Ｔ
１２、Ｔ１２’ 突起部 ＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ１１、ＭＢ１２、 移動ブロック ＢＬ１、ＢＬ１’、ＢＬ２、ＢＬ２’、ＢＬ３、ＢＬ１
１、ＢＬ１１’、ＢＬ１２、ＢＬ１２’ ベアリング Ｎ１、Ｎ２、Ｎ１１、Ｎ１２ ネジ Ｚ１、Ｚ２、Ｚ１１、Ｚ１２ 案内溝 ＲＤ１、ＲＤ２、ＲＤ１１、ＲＤ１２ コネクティング
ロッド ＳＪ１、ＳＪ１１ 回り止め軸 ＪＢ 十字部材 ＪＲ１、ＪＲ２ 軸受金具 ＮＪ１、ＮＪ１’、ＮＪ２、ＮＪ２’ 軸受段付ネジ ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＳ１’、ＤＳ２’ 段差 Ｕ 凹部 ＵＫ１、ＵＫ２ 延伸部 Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ１’、Ｓ２’ ネジ止め部 ＨＧ１、ＨＧ２ 歯車 ＴＮ１、ＴＮ２ 棚 ＳＢ 支持ブロック ＫＪ 固定軸 ＨＪ 肘部

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直線運動に基づいて、縦振り動作および
    横振り動作を行なわせる第１および第２のユニバーサル
    ジョイントと、 ３自由度の中心として捻り回転を行なわせる第３のユニ
    バーサルジョイントとを備えることを特徴とする操作装
    置。
  2. 【請求項２】 前記第１のユニバーサルジョイントを直
    線運動させる第１のリニアアクチュエータと、 前記第２のユニバーサルジョイントを直線運動させる第
    ２のリニアアクチュエータと、 前記第３のユニバーサルジョイントを回転させる回転モ
    ータとをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の
    操作装置。
  3. 【請求項３】 前記縦振り動作に対応させて、前記第１
    および第２のリニアアクチュエータを同方向に駆動する
    第１の駆動制御手段と、 前記横振り動作に対応させて、前記第１および第２のリ
    ニアアクチュエータを逆方向に駆動する第２の駆動制御
    手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の
    操作装置。
  4. 【請求項４】 前記第１のリニアアクチュエータは、 前記第１のユニバーサルジョイントに第１のコネクティ
    ングロッドを介して結合され、第１のネジ溝が切られた
    第１の移動ブロックと、 前記第１のネジ溝に噛み合わされた第１のネジ部材と、 前記第１のネジ部材を回転させる第１のモータとを備
    え、 前記第２のリニアアクチュエータは、 前記第２のユニバーサルジョイントに結合され、第２の
    ネジ溝が切られた第２の移動ブロックと、 前記第２のネジ溝に噛み合わされた第２のネジ部材と、 前記第２のネジ部材を回転させる第２のモータとを備え
    ることを特徴とする請求項３記載の操作装置。
  5. 【請求項５】 第１のネジ部材の軸方向に沿って設けら
    れた第１の案内溝と、 前記第１の案内溝に挿入され、前記第１の移動ブロック
    に結合された第１の突起部と、 前記第２のネジ部材の軸方向に沿って設けられた第２の
    案内溝と、 前記第２の案内溝に挿入され、前記第２の移動ブロック
    に結合された第２の突起部とを備えることを特徴とする
    請求項４記載の操作装置。
  6. 【請求項６】 前記突起部は、ベアリングを介して前記
    案内溝に接していることを特徴とする請求項５記載の操
    作装置。
  7. 【請求項７】 前記ユニバーサルジョイントは、軸受段
    付ネジが、軸受を介して十字部材にねじ込まれているこ
    とを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の操作
    装置。
  8. 【請求項８】 直線運動に基づいて、縦振り動作および
    横振り動作を行なわせる第１および第２のユニバーサル
    ジョイントと、 ２自由度の中心として捻り回転を行なわせる第３のユニ
    バーサルジョイントと、 前記第１および第２のユニバーサルジョイントを固定軸
    の回りに回転させる回転手段とを備えることを特徴とす
    る操作装置。
  9. 【請求項９】 直線運動に基づいて、縦振り動作および
    横振り動作を行なわせる第１および第２のユニバーサル
    ジョイントと、 ２自由度の中心として捻り回転を行なわせる第３のユニ
    バーサルジョイントと、 前記第１のユニバーサルジョイントを直線運動させる第
    １のリニアアクチュエータと、 前記第２のユニバーサルジョイントを直線運動させる第
    ２のリニアアクチュエータと、 前記第１、第２および第３のユニバーサルジョイントな
    らびに前記第１および第２のリニアアクチュエータを固
    定する固定ブロックと、 前記固定ブロックを支持する支持ブロックと、 固定軸の回りに回転可能な状態で前記支持ブロックを支
    持する軸受部と、 前記支持ブロックに取り付けられた回転モータと、 前記回転モータの回転力を前記固定軸に伝える歯車とを
    備えることを特徴とする請求項８記載の操作装置。
  10. 【請求項１０】 前記固定ブロックは、前記第３のユニ
    バーサルジョイントが前記固定軸の軸線上に位置するよ
    うに、前記支持ブロックに固定されていることを特徴と
    する請求項９記載の操作装置。
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