CN102257292A - 直动伸缩机构以及具备该直动伸缩机构的机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明的直动伸缩机构具有多个块体(22)，能够通过使该块体(22)彼此僵直连结来实现直动伸缩关节(J3)的伸长，由此达到期望的臂长。另外，能够通过从块体(22)的僵直排列中分离出单个块体(22)来实现直动伸缩关节(J3)的收缩。从僵直状态分离出的块体(22)虽然为一串，但彼此的连结并不坚固，可以朝各种方向弯曲，因此能够小型收纳在支撑体(1)的内部。本发明能够提供一种既能够避免拥有肘关节的典型机械臂在闭合肘关节时所不可避免的在臂部间夹入周围物体的危险，以提高安全性，又能够实现使机械臂占用空间小型化的直动伸缩机构以及具有该直动伸缩机构的机械臂。

Description

直动伸缩机构以及具备该直动伸缩机构的机械臂
技术领域
本发明涉及直动伸缩机构。具体涉及既能够避免拥有肘关节的典型机械臂在闭合肘关节时所不可避免的在臂部间夹入周围物体的危险，以提高安全性，又能够实现使机械臂占用空间小型化的直动伸缩机构以及具有该直动伸缩机构的机械臂。
背景技术
近年，机械臂被广泛应用于生产设备中来协助人进行工作，此外，还应用于日常生活中来辅助老人和残疾人的生活，以维持并提高老人和残疾人的生活质量。
作为机械臂的典型例，例如有图27中(a)和(b)所示的具备有臂部102的机械臂形态，该臂部102通过旋转关节103在基部100与末端操作体101之间进行直列连接而构成。然而，当该臂部102处于图27中(b)所示的收缩状态时，会从连结基部100与末端操作体101的线(图中的虚线)起，向两侧较大地突出，由此导致触碰到周围物体或与周围物体碰撞的危险性较高。并且，还存在臂部102与臂部102之间夹入周围物体的危险性。因此，对于在日常生活环境中使用的福祉机械臂而言尤其不适用。
对于能够降低上述危险性的机械臂的结构而言，例如有将末端操作体与基部之间直线连结的细棒状部件。在此，在图28的(a)～(d)中，例示了4种具有“直动伸缩机构”的伸缩机械臂。该“直动伸缩机构”通过该棒状部件的直线伸缩运动来实现臂的功能。图28中(a)为理想的细伸缩臂的示意图，该伸缩臂的腹部包含有实现某种伸缩功能的机构。图28中(b)～(d)为三个模拟上述伸缩功能的机构的伸缩臂。在这些形态中，臂部的占用空间与图27的结构相比达到最小，因此具有将遮挡视线的程度降到最小的优点。然而，在如图28中(b)～(d)所示的实现上述伸缩功能的3个机械臂中，如果要使该机械臂具有足够的强度，就不得不使现实中的收缩状态的机构变粗，于是导致与图28中(a)所示的理想的臂部相比，在视觉感官上产生较大的偏离。换言之，导致机械臂在外观上过粗。变粗的原因一般为以下几点。为了保持足够的强度，臂部必须具有足够的粗度。并且，为了保证足够的移动空间，伸长状态和收缩状态之间也必须具有足够的臂长差。因此，收缩状态下不需要的臂部构造部分(以下，称为臂部不要部分)的容积(即粗度和长度的积)成为很大的体积，从而，要收纳上述臂部不要部分必然需要较大容积，由此导致基部和基部的周围辅助结构发生大型化。
除以上所示的例子外，还提出了很多直动伸缩机构的机械臂(参照专利文献1、2、3)。然而，这些机械臂并不是以避免在臂部间产生上述夹入为前提，也不是以在与人接近的环境中使用为前提，因而难以实现本发明的目的，即难以应用在日常生活环境或生产设备等与人接近的环境中。
此外，还提出了具有直动链接机构的2脚步行机器人(参照专利文献4)。但该2脚步行机器人为外形很大的装置，并不适用于要求轻便的机械臂。
专利文献1：日本国专利申请公开公报，“特开昭61-45168号公报”；1986年3月5日公开。
专利文献2：日本国专利申请公开公报，“特开昭63-84882号公报”；1988年4月15日公开。
专利文献3：日本国专利申请公开公报，“特开平6-39758号公报”；1994年2月15日公开。
专利文献4：日本国专利申请公开公报，“特开2007-290068号公报”；2007年11月8日公开。
发明内容
在以应用于与人接近的环境为前提的机械臂的发明中，为了尽量减少旋转关节的旋转导致的夹入物体的危险，并尽量减少与人接触时的冲击，构造的轻便化成为一大重要课题。
本发明就是为解决上述课题而进行的，其目的在于，提供一种以运用在人身边环境中为前提的直动伸缩机构以及机械臂。
本发明的发明者们发现，通过将由多个块体构成的直动伸缩机构作为机械臂来使用，能够明显减少现有问题、即在臂部间夹入物体的危险性。根据该发现，本发明的发明者们完成了本发明。
即，为了解决上述问题，本发明的直动伸缩机构的特征在于，具有：块体群，由多个块体组成；移动单元，为块体的移动单元，具有使某块体固定于其他块体，或从相互固定的多个块体上将块体的固定一一解除的功能；通过上述移动单元，使上述块体群中一部分或所有的块体僵直排列成直线状，或解除块体的固定来使该僵直排列中的一部分或全部变回单个块体状态，由此使该僵直排列成为长度可任意改变的直线状僵直臂部。
本发明的发明者们对图27所示的结构导致在臂部间夹入物体的问题，以及图28所例示的直动伸缩型机械臂进行研究后发现，通过采用具有下述直动伸缩机构的臂部，就能够实现理想的机械臂。该直动伸缩机构的棒状臂部被分割成小块，且臂部不要部分的块能够较大地移除。根据该发现，本发明的发明者们完成了本发明。
为了解决上述问题，本发明的机械臂的特征在于，具有：设置部，用于固定在桌子或地面上；支撑体，通过第1旋转关节连结，其中，该第1旋转关节能够相对于该设置部进行旋转；呈单轴棒状的臂部，通过第2旋转关节连结，其中，该第2旋转关节能够相对于该支撑体，沿与该第1旋转关节垂直的方向旋转；末端操作体，设置于该臂部的另一端；直动伸缩机构，能够使上述臂部伸缩成用户希望的臂长，该直动伸缩机构的结构为：准备有足够满足所需要的最大臂长的用于构成直动伸缩机构的构造体，超过上述用户希望的臂长部分的构造体被从臂部分离，并且分离出的构造体被收纳在与上述臂部的伸长方向上的该臂部的中心轴相脱离的空间中。
综上所述，为了解决上述问题，本发明的直动伸缩机构的特征在于，具有：块体群，由多个块体组成；移动单元，为块体的移动单元，具有使某块体固定于其他块体，或从相互固定的多个块体上将块体的固定一一解除的功能；通过上述移动单元，使上述块体群中一部分或所有的块体僵直排列成直线状，或解除块体的固定来使该僵直排列中的一部分或全部变回单个块体状态，由此使该僵直排列成为长度可任意改变的直线状僵直臂部。
另外，如上所述，为了解决上述问题，本发明的机械臂的特征在于，具有：设置部，用于固定在桌子或地面上；支撑体，通过第1旋转关节连结，其中，该第1旋转关节能够相对于该设置部进行旋转；呈单轴棒状的臂部，通过第2旋转关节连结，其中，该第2旋转关节能够相对于该支撑体，沿与该第1旋转关节垂直的方向旋转；末端操作体，设置于该臂部的另一端；直动伸缩机构，能够使上述臂部伸缩成用户希望的臂长，该直动伸缩机构的结构为：准备有足够满足所需要的最大臂长的用于构成直动伸缩机构的构造体，超过上述用户希望的臂长部分的构造体被从臂部分离，并且分离出的构造体被收纳在与上述臂部的伸长方向上的该臂部的中心轴相脱离的空间中。
根据上述结构，能够提供一种直动伸缩机构以及机械臂。该直动伸缩机构和机械臂能够明显减少现有问题、即在臂部间夹入物体的危险性，并且能够实现使机械臂占用空间小型化。
附图说明
图1是本发明一实施方式中的机械臂的斜视图。
图2是本发明一实施方式中的机械臂的直动伸缩关节伸长时的侧面图。
图3是本发明一实施方式中的机械臂的臂部的截面图。
图4是本发明一实施方式中的机械臂的臂部的截面图。
图5是本发明一实施方式的机械臂中所设置的块体的斜视图。
图6是本发明一实施方式中的机械臂的臂部的弧矢截面图。
图7是本发明一实施方式中的机械臂的臂部的斜视图。
图8是表示本发明一实施方式中的机械臂的自由度配置的图。
图9是表示本发明一实施方式的机械臂中的块体群的变形例的侧面图。
图10是表示本发明一实施方式中的机械臂的臂部的变形例的侧面图。
图11是表示本发明一实施方式中的机械臂的臂部的变形例的侧面图。
图12是表示本发明一实施方式中的机械臂的臂部的变形例的侧面图。
图13是表示本发明一实施方式的机械臂的臂部中所设置的驱动机构的图。
图14是表示本发明一实施方式中的机械臂的臂部的其他变形例的侧面图。
图15是表示本发明一实施方式中的机械臂的臂部的其他变形例的侧面图。
图16是本发明一实施方式中的机械臂的侧面图。
图17是本发明一实施方式中的机械臂的顶面图。
图18是使本发明一实施方式中的机械臂的第1旋转关节进行了旋转时的该机械臂的顶面图。
图19是使本发明一实施方式中的机械臂的第2旋转关节进行了旋转时的该机械臂的侧面图。
图20是本发明一实施方式中的机械臂的臂部的截面图。
图21是使本发明一实施方式中的机械臂的第4旋转关节进行了旋转时的该机械臂的侧面图。
图22是使本发明一实施方式中的机械臂的第5旋转关节进行了旋转时的该机械臂的侧面图。
图23是使本发明一实施方式中的机械臂的第6旋转关节进行了旋转，从而使第1手指30进行了动作时的该机械臂的顶面图。
图24是使本发明一实施方式中的机械臂的第7旋转关节进行了旋转，从而使第2手指31进行了动作时的该机械臂的顶面图。
图25是表示本发明一实施方式中的机械臂的其他例的侧面图。
图26是表示本发明一实施方式中的机械臂的其他例的顶面图。
图27是表示机械臂的典型例的图。
图28是表示机械臂的典型例的图。
(附图标记说明)
1 支撑体(基座)
2 臂部(僵直臂部)
3 手部(把持部、末端操作体)
10a 第1支撑部
10b 第2支撑部
10b′ 第2支撑部的开口部
20、20′ 块体群
21 移动单元
21′ 驱动齿轮
22、22′ 块体
22a  侧面凹凸构造部位
22b 顶面凹凸构造部位
22c 底面凹凸构造部位
22c′ 凹部
23 蜗轮减速器
23a 蜗轮
23a′ 蜗轮的旋转轴
23b 正齿轮
24 马达
25 缆绳(块体间可动性连结单元)
25a 附件
26 带齿履带(块体间固定单元、可弯性履带状构造体)
26a 凹凸形状表面部位
27 上部导引辊
28 刮片
29a 块间固定用卡锁机构
29b 凹部
29c 块间可动连结机构
29d 拉力缆绳
29e 缆绳卷取筒
30 第1手指
31 第2手指
32 二手指手部
40、40′ 机械臂
41 导引机构
42 追加导引机构
G 设置面
J1 第1旋转关节
J2 第2旋转关节
J3 直动伸缩关节
J4 第4旋转关节
J5 第5旋转关节
J6 第6旋转关节
J7 第7旋转关节
具体实施方式
本发明的发明者们发现，通过在机械臂的臂部中搭载用多个块体实现了直动伸缩关节的直动伸缩机构，能够明显降低在臂部间产生上述夹入的危险性，且能够实现使机械臂占用空间小型化。根据该发现，本发明的发明者们完成了本发明。
搭载有本发明的直动伸缩机构的机械臂不但能够用作工业用机械臂，还能够在日常生活中代替人手，用作辅助工作的辅助机器人等福祉机械。
〔实施方式1〕
本发明的直动伸缩机构的特征在于：具备，由多个块体组成的块体群；移动单元，具有使某块体固定于其他块体或从相互固定的多个块体上将块体的固定一一解除的功能，通过上述移动单元，使上述块体群中一部分或所有的块体僵直排列成直线状，或解除块体的固定来使该僵直排列中的一部分或所有的块体返回变成单个状态，由此该直动伸缩机构构成为该僵直排列的长度可任意改变的直线状臂部。
以下，例举机械臂作为一实施方式，根据图1～图15来说明本发明的直动伸缩机构。另外，为了便于说明，有时将直动伸缩机构的整体视为单个运动关节，并称之为直动伸缩关节J3。
图1及图2是表示机械臂外观的斜视图。图1表示了设置在机械臂40的臂部2中的直动伸缩关节J3在缩短时的状态，图2表示了直动伸缩关节J3伸长时的状态。
如图1所示，机械臂40具备支撑体1(基座)、臂部2、手部3(其他构造体、把持部、末端操作体)。
(支撑体)
如图1所示，支撑体1从机械臂40的设置面G起沿铅锤方向延伸，其支撑机械臂40的整体。
如图1所示，支撑体1具有：第1支撑部10a和第2支撑部10b这两个支撑部、第1旋转关节J1、第2旋转关节J2。
上述第1支撑部10a和第2支撑部10b具有圆柱形状，以彼此的中心轴(支撑轴)相互吻合的方式配置于下和上的位置。第1支撑部10a和第2支撑部10b都为中空构造，从而能够在内部收纳后述臂部2的结构的一部分。
(臂部)
图3是沿图1所示的截线A-A′将机械臂40截断，从截线A-A′的箭头方向看的截面图。
臂部2具有图3所示的直动伸缩关节J3，用以将配置在其头端的手部3调整成期望的位置/姿势。例如，通过在图3所示的状态下使直动伸缩关节J3进行伸长，能够使手部3移动到远离支撑体1的位置而达到图4所示的状态。图4是图2所示伸长状态下的直动伸缩关节J3的截面图。
臂部2的主要结构为：构成图3所示直动伸缩关节J3的块体群20；用以驱动该直动伸缩关节J3的移动单元(驱动机构)21(参照图6)。
如图3以及图4所示，上述块体群20由多个块体22组成，从一端的块体22起到另一端的块体22为止，所有的块体22排列成一串。
在此，使用图5来说明各块体22构造。图5是表示各块体22的外观的斜视图。如图5所示，块体22在块体22彼此连结的方向上呈贯通的中空构造，从而内部空间能够用作穿通且保护导电布线的最佳空间。在各块体22的侧面(块体22上彼此对向的位置)，设有用以进行相互咬合的侧面凹凸构造部位22a。由此，能够防止块体22在图3以及图4所示的块体22彼此连结的部位发生横错位(在垂直于连结方向的方向上的错位)。另外，如图5所示，在各块体22的顶面，设有用以与后述带齿履带进行咬合的顶面凹凸构造部位22b。另外，在各块体22的底面，还设有如图6以及图7所示的齿条状的底面凹凸构造部位22c。
在由具备上述各结构的块体成串排列成的块体群20中，该排列中的一部分块体通过相互固定而构成僵直的直列。僵直部分的大部分从设置在第2支撑部10b的开口部10b′起，沿单轴方向向外部突出。另一方面，块体群20中剩余的未僵直的排列部分收纳在第2支撑部10b(支撑体1)的内部。在以下的说明中，将僵直且呈直列的块体群区域称为“僵直区间”，将非僵直的区域称为“可弯区间”。另外，有时也将僵直区间中的自开口部10b′突出的块体群的突出长度称为“臂长”。
图6是将图2中虚线所围的区域的截面放大后的部分截面图。
上述移动单元21如图6所示那样，能够沿单轴方向使某块体22排列到其他块体22上并使块体固定，从而能够使僵直的块体群20从开口部10b′向外部伸长，还能够使伸长在外部的块体群20退回进第2支撑部10b的内部，并从该块体群20中分离出单个的块体22来缩短僵直区间。如此，能够改变僵直区间的长度，即改变臂长，换而言之，能够实现直动伸缩关节J3的伸缩运动。伸缩机构将在后文中详述。
如图6所示，上述移动单元21中设有：由块体22的齿条状的底面凹凸构造部位22c和蜗轮23a组合而成的蜗轮减速器23；用以驱动蜗轮23a的马达24。图6所示的正齿轮23b用于增强马达24的旋转力，并使蜗轮23a旋转。通过运用蜗轮减速器23，与仅使用通常的正齿轮的减速器相比，能够以非常少的仅数个的齿轮来实现较大的减速比，因此蜗轮减速器23能够用作非常小型的减速器。
如图6所示，上述蜗轮23a的推力产生方向与蜗轮23的旋转轴23a′的方向相同，因此蜗轮23a被配置成：旋转轴23a′的方向与上述块体群20的僵直方向(突出方向)一致。由此，当块体22的齿条状的底面凹凸构造部位22c咬合上蜗轮23a时，能够实现该块体22沿蜗轮23a的推力产生方向进行移动的机构。另外，由于马达24的旋转轴的方向是块体群20的僵直方向，因此该较大的驱动马达不会从臂的侧面突出，并能够较容易地且小型化地来收纳马达。
块体22受到蜗轮23a的推力而在第2支撑部10b′的内部相互固定，固定后的块体22(块体群20)被排列在后方的其他块体22推挤，而从开口部10b′被推出到外部，如此实现直动伸缩关节J3的伸长动作。另一方面，通过蜗轮23a进行逆旋转，僵直的块体群被拉入第2支撑部10b的内部，且块体22按照拉入的顺序进行分离，从而实现直动伸缩关节J3的收缩动作。从僵直区间分离开的块体22虽然为一串，但它们相互间为可动性连结(可弯区间)。在本实施方式中，可弯区间中的块体群如图3及图4所示那样，沿支撑体1的中心轴收纳成纵列。以上所述的是直动伸缩关节J3的伸缩机构。
图7的(a)及(b)是表示从不同角度看图6所示范围中的臂部2的几个结构要部时的斜视图。臂部2不但具备上述的结构，还如图7的(a)及(b)所示那样，具备2根较长的缆绳25、以及带齿履带26。缆绳25用以将全部的块体22连结成具有可动性的一串，带齿履带26用于咬合到由块体22彼此固定而呈僵直状态的块体群20的顶面凹凸构造部位22b。
为了不使僵直区间中的块体22彼此连结的部分发生松动(松弛)，上述缆绳25在块体群的底面侧拉紧，使得在块体22沿单轴方向相互固定排列的状态下产生稍许的拉力。缆绳25借助图7的(b)所示的各个附件25a而被固定至各个块体22上。
为了与块体22的顶面凹凸构造部位22b进行咬合，上述带齿履带26上设有凹凸形状表面部位26a，由此能够对相邻的块体22进行相互间固定。当要使块体群20变成可弯状态(解除僵直)时，只要从直列的块体群上剥离开咬合着的带齿履带26便可。由于带齿履带26的作用力仅为长轴方向上的拉力，因此无论向僵直后的块体群施加何种外力，都不会在该块体群的中途部分发生剥离。
进一步而言，所能对带齿履带26进行按压或剥离的位置仅为僵直区间的端部。带齿履带26的按压或剥离操作非常容易。如图6所示，仅通过设置用以进行按压操作的上部导引辊27和用以进行剥离操作的刮片28，并使块体群20向连接方向滑动，便能够实现按压操作和剥离操作。
若使用既成品的带齿履带(切片履带)来作为带齿履带26，由于带齿履带持有耐高载荷的高强度，齿与齿间的间距制造得精良，且廉价，因此在这些方面上，优选带齿履带26使用既成品的带齿履带。
(手部)
手部3设置于臂部2的头端。如图8所示，手部3拥有第4旋转关节J4、第5旋转关节J5、第6旋转关节J6、第7旋转关节J7、第1手指30、第2手指31。
通过使用本实施方式的具备上述结构的机械臂40，无需使用曲关节便能够实现臂部的臂的伸缩动作。因此，能够防止因设置在臂部当中的曲关节的旋转而导致在臂部间发生物体夹入。这一点对于在日常生活中代替人手来辅助进行作业的福祉用机械臂而言，是非常有意义的。另外，尤其是将本实施方式的机械臂用作福祉用机械臂而配设在轮椅上或床头等时，由于是仅通过直动伸缩来实现臂的伸缩动作，因此与臂部当中设置有曲关节的机构相比，用户视线的遮挡范围较小，从而能够减少用户视觉上的不适感。
在本实施方式中，虽然支撑体1自图8所示的设置面G起在铅锤方向上延伸，但本发明并不限定于此，支撑体1只要保持预定的角度便可。
另外，在本实施方式中，虽然为了使块体22连成一串而使用了缆绳25，但缆绳25是辅助性结构，也可以使用连结相邻块体的铰链来代替缆绳。此外，在本实施方式中虽然使用了带齿履带26，但其也与缆绳25同样是辅助性结构，即使没有带齿履带26也能够实现僵直区间，对此，例如有后述的变形例(2)。
另外，在本实施方式中虽然使用二手指手部32来作为手部3，但本发明并不限定于此，也可以使用具有3个以上手指部的手部。此外，本发明并不限定是具备手指部，也能够在臂部的头端连结各种构造物来取代手部3，从而通过臂部将该构造物配置成用户期望的位置/姿势。例如，也能够将具有摄影功能的器械用作手部3。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅仅是本发明的示例，本发明并不限定在上述实施方式的范围内，在权利要求所示的范围进行各种变更、替换而得到的实施方式也包含于本发明的技术范围之内。例如本发明也可以是以下变形例中记述的结构。
〔变形例(1)〕
图9是表示块体群的变形例的侧面图。图9中的观察方向与图6所示块体群20的观察方向相同，图9表示了该观察状态下的作为本变形例的块体群20′。如图9所示，块体群20′中的各块体22′上设有块体间固定用卡锁(扣件)机构29a，还设有凹部29b，从而邻接块体22′的块体间固定用卡锁机构29a的头端可嵌合于该凹部29b。
另外，对于图7所示的块体群20，为了使各块体22连结成一串而使用了缆绳26。而在本变形例的块体群20′中，各块体22′具备块间可动连结机构29c，该块间可动连结机构29c使各块体22′成为可动性连结。相邻的块体22′借助块间可动连结机构29c相互连结而排列成一串。通过块间固定用卡锁机构29a与凹部29b嵌合，排列成串的各块体22′成为僵直的直列排列(图9的僵直区间)。另一方面，在块间固定用卡锁机构29a与凹部29b未发生嵌合的区间，虽然各块体22′通过块间可动连结机构29c相连结，但并非为僵直状态，而是具有可弯性(图9的可弯区间)。
在本变形例中，如上所述，卡锁的开闭控制方法较为简单，因此设置简单的开闭控制机构便可，从而能够进一步期待高速且流畅的臂伸缩动作。
图10表示了该块体群20′与支撑体1完成连结后的结构。在图10所示的结构中，块体群20′的僵直区间的伸突方向被导引机构41所定向。
另外，也可以进一步追加上述导引机构来构成图11所示的结构。图11中设有追加导引机构42。在该追加导引机构42中，块体群所通过的内部通路为拐曲状，在该通路的两端，具有用以将块体群20′规定在单轴方向上的区域。从支撑体1到追加导引机构42的一端为止，块体群20′为直列。在追加导引机构42的内部(中央部)，块体22′彼此的块间固定用卡锁机构29a与凹部29b为未嵌合的分离状态，因而具有可弯性。沿追加导引机构42的拐曲形状进行了拐曲后，在追加导引机构42另一端的用以定向至单轴方向的区域中，分离着的块间固定用卡锁机构29a与凹部29b再次进行嵌合，从而变僵直且构成直列。
图12表示了可弯区间中的块体22′的收纳形态的一例。如图12所示，支撑体1内部所收纳的可弯区间中的块体22′的收纳形态为涡旋型。像这样，收纳形态并不限于以上实施方式中的纵型形态，本发明能够在期望的场所小型化地进行收纳。
图13表示的是块体22′的底面上设有凹部时的驱动机构。在图13所示的结构中，设有与设置在块体22′底面上的凹部22c′进行嵌合的驱动齿轮21′，通过转动驱动齿轮21′，能够使块体群20′进行伸缩。
〔变形例(2)〕
图14是其他变形例的图。在本变形例的结构中具备有：臂部2的块体群20′；与设置在块体群20′的各块体22′的底面上的凹部22c′进行嵌合的驱动齿轮21′；从位于头端的最靠近手部3的块体22′的顶面起，沿着直列排列的块体群20′的各块体22′的顶面张拉的拉力缆绳29d。此外，本结构还具备用以卷取该拉力缆绳29d的缆绳卷取筒29e，由此从位于头端的块体22′起，向缆绳卷取筒29e的方向产生拉力。另一方面，通过驱动齿轮21′，在与该拉力方向相反的方向上产生有推出力。如此，在直列排列的块体群20′的各块体22′彼此间，沿图14中箭头所示的方向发生僵直化应力，从而形成僵直区间。
图15表示了另一变形例，在该结构中，未设有上述缆绳卷取筒29e，而是利用了块体22′的重力，在各块体22′彼此间沿图15中箭头所示的方向发生僵直化应力，从而形成僵直区间。
〔实施方式2〕
本发明的机械臂的特征在于，具有：设置部，用于固定在桌子或地面上；支撑体，通过第1旋转关节连结，该第1旋转关节能够相对于该设置部进行旋转；臂部，呈单轴棒状，通过第2旋转关节连结，该第2旋转关节能够相对于该支撑体，沿与该第1旋转关节垂直的方向旋转；末端操作体，设置于该臂部的另一端；上述臂部具有能够伸缩成期望臂长的直动伸缩机构；该直动伸缩机构由以下方式构成：在预先准备的用于构筑上述直动伸缩机构并能够实现所需最大臂长的构造体当中，上述直动伸缩机构中的超出了上述期望臂长的部分被从上述臂部分离出，并被收纳至与上述臂部的中心轴相偏离的空间，其中，上述中心轴是沿着上述臂部的伸长方向的中心轴。
根据图1～图24对本发明的机械臂的一实施方式进行说明。该机械臂的结构与在上述〔实施方式1〕中说明的机械臂相同。因此，在本实施方式中，对于具有上述特征的本实施方式的机械臂的相关内容，仅对在上述〔实施方式1〕中没有说明的部分进行说明。
如图8所示，机械臂40具有第1旋转关节J1、第2旋转关节J2、第3直动伸缩关节J3、第4旋转关节J4、第5旋转关节J5、第6旋转关节J6、第7旋转关节J7，整体上为7自由度。
如图8所示，机械臂40的特征在于：具有支撑体1、臂部2和手部3(把持部)；臂部2具有第3直动伸缩关节J3，该第3直动伸缩关节J3用于构成用户希望的臂长的臂，第3直动伸缩关节J3中超出期望臂长的部分被配置在与臂的中心轴不同的轴向上，其中，所述中心轴是沿着该臂的伸长方向的中心轴；无需在臂部设置旋转轴与臂的中心轴垂直的曲关节铰链，就能实现第3直动伸缩关节J3的伸缩。
〔支撑体〕
如上述实施方式1中所说明的，支撑体1具有2个支撑部，分别为第1支撑部10a和第2支撑部10b，还具有第1旋转关节J1和第2旋转关节J2。
上述第1旋转关节J1配置于第1支撑部10a和第2支撑部10b之间，该第1旋转关节J1构成为扭转关节铰链，并且具有以支撑体1的中心轴(第1支撑部10a和第2支撑部10b的中心轴)为中心的旋转轴。如图17和图18所示，当第1旋转关节J1旋转时，第2支撑部10b、臂部2、手部3均以上述旋转轴为中心进行旋转。
如图1和图8所示，上述第2旋转关节J2位于第2支撑部10b在臂部一侧的端部，该第2旋转关节构成为具有与支撑体1的轴垂直的旋转轴的曲关节。如图16和图19所示，当第2旋转关节J2旋转时，臂部2和手部3均相对于支撑体1以第2旋转关节J2的旋转轴为中心进行旋转。
该第2旋转关节J2拥有不会使机械臂40周围的物体被牢牢夹入支撑体1和连结部2之间的旋转角度。具体为，支撑体1与连结部2之间的角度被控制在不小于40°，优选为不小于50°，更优选为不小于60°。由此，可明显防止在支撑体1与连结部2之间产生如上所述的夹住物体的危险。
〔臂部〕
在臂部2上设置的第3直动伸缩关节J3已在上述实施方式1中详细阐述，在此省略相应说明。
臂部2能够在第3直动伸缩关节J3从第2支撑部10b上的开口部10b′向外部沿单轴方向突出的状态下，以上述第2旋转关节J2为中心轴旋转。该状态如图20所示。
〔手部〕
如上所述，手部3设置在臂部2的前端。如图8所示，手部3具有第4旋转关节J4、第5旋转关节J5、第6旋转关节J6、第7旋转关节J7、第1手指30、第2手指31。
第4旋转关节J4为扭转关节铰链，且具有以沿着臂部2伸缩方向的臂部中心轴(以下，有时也称为臂轴)为中心的旋转轴。如图16和图21所示，当第4旋转关节J4旋转时，从第4旋转关节J4到前端的手部3，以上述旋转轴为中心进行旋转。
第5旋转关节J5为具有与臂轴垂直的旋转轴的曲关节铰链。如图22所示，当第5旋转关节J5旋转时，从第5旋转关节J5到前端的二手指手部32，以上述旋转轴为中心进行旋转。
第6旋转关节J6为具有同时与臂轴和第5旋转关节J5垂直的旋转轴的曲关节铰链。如图23所示，当第6旋转关节J6旋转时，第1手指30以上述旋转轴为中心进行旋转。
第7旋转关节J7为具有同时与臂轴和第5旋转关节J5垂直的旋转轴的曲关节铰链。如图24所示，当第7旋转关节J7旋转时，第2手指31以上述旋转轴为中心进行旋转。
若使第6旋转关节J6和第7旋转关节J7各自朝相反方向旋转，并使第1手指30和第2手指31的前端部彼此接近，则二手指手部32的动作为把持某物体。若使第6旋转关节J6和第7旋转关节J7各自朝相反方向旋转，从而使第1手指30和第2手指31的前端部彼此远离，则二手指手部32的动作为放开把持的某物体。
使第6旋转关节J6和第7旋转关节J7彼此朝同一方向旋转，并保持第1手指30和第2手指31的前端部的间隔，则二手指手部32的动作为改变姿势。
具有以上结构的本实施方式的机械臂40不使用曲关节铰链就能够实现臂部的臂伸缩。因此，能够防止旋转臂与臂之间设置的曲关节连接点时导致的在臂部间夹住物体。这一点对于在日常生活中代替人手来进行辅助工作的福祉用机械臂而言，是非常有意义的。另外，尤其是将本实施方式的机械臂用作福祉用机械臂而配设在轮椅上或床头等时，由于是仅通过直动伸缩来实现臂的伸缩动作，因此与在臂部间设置有曲关节铰链的结构相比，能够使用户视线的遮挡范围减到最小，从而能够减少用户视觉上的不适感。
在本实施方式中，手部3通过使第6旋转关节J6和第7旋转关节J7连动，来进行二手指手部32把持或放开某物体的动作。然而本发明并不局限于此。在此，根据图25和图26对其他例子进行说明。在如图25和图26所示的其他机械臂40′中，第6旋转关节J6配置在第7旋转关节J7的靠近第5旋转关节J5的一侧，该第6旋转关节J6为具有同时与臂轴和第5旋转关节J5垂直的旋转轴的曲关节铰链。通过使该第6旋转关节J6旋转，使第1手指30和第2手指31一起旋转，即，使二手指手部32改变姿势。此外，另一例中的机械臂40′具有用于调整第1手指30和第2手指31之间间隔的该第7旋转关节J7。当该第7旋转关节J7朝某一方向旋转时，二手指手部32的动作为把持某物体，而当第7旋转关节J7朝与上述某一方向相反的方向旋转时，二手指手部32的动作为放开把持的某物体。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本实施方式仅仅是本发明的示例，本发明并不限定在本实施方式所示的范围内，在权利要求所示的范围内进行各种变更、替换而得到的实施方式也包含于本发明的技术范围之内。
(工业上的利用可能性)
本发明的机械臂具有臂部，该臂部包含使用有多个块体的直动伸缩机构，因此能够明显降低在臂部间夹住物体的危险性，且能够实现使机械臂占用空间小型化。
因此，例如，除了可用作工业用机械臂，还能较好地用作在日常生活中代替人手来辅助工作的辅助机器人或义肢等福祉器具。

Claims (14)

1.一种直动伸缩机构，其特征在于：
具有
块体群，由多个块体组成；
移动单元，为使块体移动的移动单元，具有使某块体固定于其他块体，或从相互固定的多个块体上将块体的固定一一解除的功能；
通过上述移动单元，使上述块体群中一部分或所有的块体僵直排列成直线状，或解除块体的固定来使该僵直排列中的一部分或全部变回单个块体状态，由此使该僵直排列成为长度可任意改变的直线状僵直臂部。
2.根据权利要求1所述的直动伸缩机构，其特征在于：
设置有基台；
该基台的内部能够收纳未构成上述僵直臂部的上述块体；或
在上述基台附近设置有用于收纳上述未构成上述僵直臂部的上述块体的空间。
3.根据权利要求2所述的直动伸缩机构，其特征在于：
上述基台能够使上述僵直臂部旋转，从而使上述僵直臂部指向任意方向。
4.根据权利要求1或2所述的直动伸缩机构，其特征在于：
未构成上述僵直臂部的上述块体通过相邻块体间的可动性连结，成为可弯性连续体。
5.根据权利要求1或2所述的直动伸缩机构，其特征在于：
未构成上述僵直臂部的上述块体各自独立，且被收纳在上述基台的上述内部，或被收纳在上述空间中。
6.根据权利要求3或5所述的直动伸缩机构，其特征在于：
为了对构成上述僵直臂部的相邻的上述块体进行块体间固定，具有：
在排列好的各个块体表面设置的凹凸构造；
沿排列好的块体延伸且具有凹凸表面的可弯性带状构造体；
使上述块体的凹凸构造与上述带状构造体的凹凸表面相互咬合的机构。
7.根据权利要求6所述的直动伸缩机构，其特征在于：
为了解除块体固定以使上述僵直臂部的一部分或全部变回单个块体，具有：
使上述相互咬合的上述块体的凹凸构造和上述带状构造体的凹凸表面间相互分离的机构。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的直动伸缩机构，其特征在于：
上述使块体移动的移动单元具有驱动机构，该驱动机构包含齿轮、使该齿轮旋转的执行器；
在各个块体的与上述齿轮相对的面上，设置有与上述齿轮嵌合的凹凸构造；
通过旋转上述齿轮来使块体移向排列方向。
9.一种机械臂，其特征在于：
具有权利要求1至8中任意一项所述的直动伸缩机构。
10.一种机械臂，其特征在于：
具有
设置部，用于固定在桌子或地面上；
支撑体，通过第1旋转关节连结，其中，该第1旋转关节能够相对于该设置部进行旋转；
呈单轴棒状的臂部，通过第2旋转关节连结，其中，该第2旋转关节能够相对于该支撑体，沿与该第1旋转关节垂直的方向旋转；
末端操作体，设置于上述臂部的另一端；
上述臂部具有能够伸缩成期望臂长的直动伸缩机构；
上述直动伸缩机构由以下方式构成：
在预先准备的用于构筑上述直动伸缩机构并能够实现所需最大臂长的构造体之中，上述直动伸缩机构中的超出了上述期望臂长的部分被从上述臂部分离出，并被收纳至与上述臂部的中心轴相偏离的空间，其中，上述中心轴是沿着上述臂部的伸长方向的中心轴。
11.根据权利要求10所述的机械臂，其特征在于：
上述末端操作体为把持部，该把持部包含有把持部基部、把持部掌部、多个指部；
在上述把持部基部与上述直动伸缩机构之间，具有与上述直动伸缩机构的长边方向平行的第4旋转关节；
在上述把持部基部与上述把持部掌部之间，具有与上述第4旋转关节垂直的第5旋转关节；
在上述把持部掌部与各个指部之间，具有能独立动作的旋转关节。
12.根据权利要求10或11所述的机械臂，其特征在于：
上述把持部具有能够把持其他构造体的多个指部；
各上述指部能够通过连动来进行开闭动作。
13.根据权利要求10所述的机械臂，其特征在于：
上述末端操作体为把持部，该把持部包含有把持部基部、把持部掌部、多个指部；
在上述把持部基部与上述直动伸缩机构之间，具有与上述直动伸缩机构的长边方向平行的第4旋转关节；
在上述把持部基部与上述把持部掌部之间，具有与上述第4旋转关节垂直的第5旋转关节；
在上述把持部掌部与上述多个指部之间，具有用于使上述指部一体性地旋转的第6旋转关节；
在上述把持部掌部与上述多个指部中的除某一指部之外的各其他指部之间，具有使上述其他指部相对上述某一指部独立地动作，从而调整各指部间的间隔的第7旋转关节。
14.根据权利要求10所述的机械臂，其特征在于：
上述末端操作体为摄像器件。
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