-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehantriebs-Mechanismus, mit dem ein Dreh-Element eines Roboters drehend angetrieben wird.
-
In den letzten Jahren sind Forschung und Entwicklung nicht nur bei Industrierobotern, sondern auch bei Konsumentenrobotern aktiv betrieben worden, die im Alltagsleben von Menschen verschiedene Funktionen übernehmen. Es ist zu erwarten, dass von derartigen Robotern menschenähnliche Roboter (humanoide Roboter), die in der Lage sind, in aufrechter Haltung zu gehen, menschliche Tätigkeiten übernehmen können. Derartige humanoide Roboter weisen zahlreiche Gelenk-Teile auf, mit denen Tätigkeiten oder Bewegungen eines Menschen nachgeahmt werden, und es sind zahlreiche Bewegungen der Gelenk-Teile mit unterschiedlichen Freiheitsgraden erforderlich. Daher nimmt für jedes der Gelenk-Teile der humanoiden Roboter entsprechend den Freiheitsgraden jedes Gelenk-Teils die Anzahl daran installierter Antriebsglieder, wie beispielsweise Servomotoren, zu, wodurch es schwierig wird, die Größe der Gelenk-Teile zu verringern, und der Aufbau sowie die Anordnung der Antriebsglieder komplex werden. In Patentdokument 1 wird so beispielsweise eine Anordnung von Gelenk-Teilen offenbart, bei der zwei Antriebsglieder nebeneinander (bzw. parallel) in einem Gelenk-Teil eines Roboters angeordnet sind und eine Ausgangswelle jedes Antriebsgliedes mit einem Verbindungs-Mechanismus verbunden ist, der aus einem Zwischenglied und einem Arm besteht, wobei der Arm jedes Verbindungs-Mechanismus mit einem Träger-Element des Gelenk-Teils über ein kreuzförmiges Kardangelenk verbunden ist. Bei einer derartigen Konstruktion kann, wenn ein Antriebsglied veranlasst wird, einen vorgegebenen Vorgang auszuführen, eine Bewegung mit zwei Freiheitsgraden in dem Gelenk-Teil durchgeführt werden, und bei dieser Technologie wird eine Bewegung jedes Freiheitsgrades ausgeführt, indem stets die zwei Antriebsglieder angetrieben werden, so dass die Größe jedes Antriebsgliedes verringert werden kann und darüber hinaus die Antriebsglieder so angeordnet sind, dass beide Antriebsglieder ausschließlich parallel angeordnet sind. Weiterer relevanter Stand der Technik ist in der
EP 1 857 230 B1 ,
EP 1 820 612 B1 ,
EP 1 433 694 B1 ,
US 2011 / 0 296 944 A1 ,
JP 2013 -
091 146 A und
JP 2011 -
224 752 A beschrieben. Diese Dokumente offenbaren z.B. Antriebsmechanismen für die Extremitäten von Robotern.
-
PATENTDOKUMENT 1 JP 2013-91122 A
-
Bei der oben beschriebenen Konstruktion des herkömmlichen Gelenk-Teils sind jedoch die Ausgangswelle jedes Antriebsgliedes und der Arm jedes dazugehörigen Verbindungs-Mechanismus im Wesentlichen in Reihe zueinander angeordnet, so dass ein Raum zum Aufnehmen dieser Konstruktion eine relativ große Abmessung bzw. Größe in einer Längsrichtung haben muss und eine Position, an der die Konstruktion in dem Roboter angeordnet werden kann, zwangsläufig Einschränkungen unterliegt. Des Weiteren ist es in der Vergangenheit bei einem Gelenk-Teil, bei dem ein Dreh-Element, wie beispielsweise ein Armelement des Roboters, so eingerichtet ist, dass es drehend in einer vorgeschriebenen Richtung angetrieben wird, die eine Schwerkraft-Komponente einschließt, häufig so gewesen, dass ein Dreh-Servomotor oder dergleichen als ein Antriebsglied an dem Gelenk-Teil installiert wurde und die Funktion des drehenden Antreibens des Dreh-Elementes übernahm. Bei einer derartigen Konstruktion nimmt, insbesondere wenn die Drehung des Dreh-Elementes verstärkt wird, das auf das Antriebsglied wirkende Last-Drehmoment zu, und dadurch tritt im Allgemeinen eine Situation ein, in der angesichts des so vergrößerten Last-Drehmomentes ein relativ großes und starres Antriebsglied gewählt werden muss.
-
Des Weiteren kann bei einem Gelenk-Teil eines Roboters ein Verbindungs-Mechanismus eingesetzt werden, um zu bewirken, dass eine Antriebskraft eines Antriebsgliedes auf ein anzutreibendes Objekt übertragen wird. Obwohl auch bei dem in dem oben aufgeführten Patentdokument 1 dargestellten Gelenk-Teil die Verbindungsmechanismen zur Übertragung von Antriebskräften eingesetzt werden, dienen die Verbindungsmechanismen dazu, zu ermöglichen, dass die Antriebskräfte von den zwei nebeneinander angeordneten Antriebsgliedern in verschiedenen Betriebsarten auf das Träger-Element des Gelenk-Teils übertragen werden, jedoch kann nicht festgestellt werden, dass die Verbindungsmechanismen so ausgebildet sind, dass die Lasten, die beim drehenden Antreiben der Dreh-Elemente in der vorgeschriebenen Richtung, die eine Schwerkraft-Komponente einschließt, auf die Antriebsglieder wirken, in geeigneter Weise verringert werden können. Darüber hinaus findet sich bei anderen herkömmlichen Technologien kein Mechanismus zum drehenden Antreiben eines Dreh-Elementes, mit dem eine Schwerkraftbelastung eines Antriebsgliedes in geeigneter Weise eingeschränkt wird.
-
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der oben aufgeführten Probleme gemacht worden, und ihre Aufgabe besteht darin, einen Drehantriebs-Mechanismus zu schaffen, mit dem die Größe eines Antriebsgliedes zum drehenden Antreiben eines Dreh-Elementes eines Roboters verringert werden kann.
-
Zur Lösung des zuvor beschriebenen Problems wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Drehantriebs-Mechanismus eines Roboters mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben. Darüber hinaus wird gemäß eines nebengeordneten Aspektes der Erfindung ein Drehantriebs-Mechanismus eines Roboters mit den Merkmalen von Anspruch 7 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen definiert.
-
Der Drehantriebs-Mechanismus weist eine erste Verbindungsglied-Einheit und eine zweite Verbindungsglied-Einheit als einen Verbindungs-Mechanismus auf. Diese erste Verbindungsglied-Einheit weist einen Einleit-Teil, in den eine Antriebskraft (Ausgang) von dem Linearbewegungs-Antriebsglied eingeleitet wird, und einen Ableit-Teil auf, der die Antriebskraft an die zweite Verbindungsglied-Einheit ableitet. Dabei ist anzumerken, dass das Einleiten des Ausgangs des Linearbewegungs-Antriebs-gliedes in den Einleit-Teil in einem direkten Einleitmodus stattfinden kann, in dem er direkt von dem Linearbewegungs-Antriebsglied eingeleitet wird, oder in einem indirekten Einleitmodus stattfinden kann, in dem er über ein bestimmtes Übertragungselement von ihm eingeleitet wird. Dabei ist die erste Verbindungsglied-Einheit über einen ersten Lagerungs-Teil drehbar an einem Träger-Element angebracht, und der Einleit-Teil und der Ableit-Teil befinden sich an einander gegenüberliegenden Seiten eines Lagerungs-Punktes des ersten Lagerungs-Teils. Daher wirkt die erste Verbindungsglied-Einheit als ein Schwenk-Verbindungs-glied, das sich aufgrund der Lagerung durch das erste Lagerungs-Teil wie ein Schwenkarm hin- und her bewegt. Das heißt, die Richtung der Bewegung des Einleit-Teils durch den Ausgang von dem Linearbewegungs-Antriebsglied und die Richtung der Bewegung des Ableit-Teils sind umgekehrt zueinander.
-
Weiterhin ist die zweite Verbindungsglied-Einheit über einen zweiten Lagerungs-Teil drehbar mit dem Ableit-Teil der ersten Verbindungsglied-Einheit verbunden, und darüber hinaus ist die zweite Verbindungsglied-Einheit über eine dritte Lagerungs-Einheit drehbar mit dem Dreh-Element oder einem damit verbundenen Verbindungselement verbunden. Dadurch wird der in die erste Verbindungsglied-Einheit eingeleitete Ausgang des Linearbewegungs-Antriebs-gliedes über den Ableit-Teil zu dem zweiten Lagerungs-Teil übertragen und wird von diesem weiter zu dem Dreh-Element übertragen, so dass relativer Drehantrieb des Dreh-Elementes und eines Träger-Elementes ausgeführt wird, an dem das Dreh-Element angebracht ist. Mit einer derartigen Konstruktion kann die Längenabmessung des gesamten Drehantriebs-Mechanismus gegenüber einer herkömmlichen Konstruktion verkürzt werden, bei der die Ausgangswelle des Linearbewegungs-Antriebsgliedes und der zugehörige Arm in Reihe angeordnet sind und sie die gleichen Bewegungsrichtungen haben. Des Weiteren ist die erste Verbindungsglied-Einheit als ein Schwenk-Verbindungsglied ausgebildet, so dass es, wenn der Abstand zwischen dem ersten Lagerungs-Teil und dem Einleit-Teil der ersten Verbindungsglied-Einheit sowie der Abstand zwischen dem ersten Lagerungs-Teil und dem Ableit-Teil der ersten Verbindungsglied-Einheit entsprechend eingestellt werden, möglich ist, den Ausgang des Linearbewegungs-Antriebsgliedes zur Seite des Dreh-Elementes zu übertragen und ihn gleichzeitig mit der ersten Verbindungsglied-Einheit zu verstärken, so dass es auch möglich wird, die Größe des Linearbewegungs-Antriebsgliedes zu verringern.
-
Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auch unter einem anderen Aspekt betrachtet werden, d. h. als ein Drehantriebs-Mechanismus, mit dem ein Dreh-Element eines Roboters mittels eines Linearbewegungs-Antriebsgliedes so angetrieben wird, dass es sich in einer vorgeschriebenen Richtung dreht, die eine Schwerkraft-Komponente einschließt. In diesem Fall betrifft die vorliegende Erfindung einen Drehantriebs-Mechanismus, der mittels des Linearbewegungs-Antriebsgliedes, das eine Linearbewegungs-Ausgangswelle aufweist, das Dreh-Element antreibt, das ein Teil des Roboters ist und das an einem Träger-Element an der Seite eines Hauptkörpers des Roboters angebracht ist, so dass es sich in der vorgeschriebenen Richtung dreht, die die Schwerkraft-Komponente einschließt, wobei der Drehantriebs-Mechanismus eine erste Verbindungsglied-Einheit umfasst, die einen ersten Verbindungsglied-Körper aufweist und über einen ersten Lagerungs-Teil an dem Träger-Element so angebracht ist, dass sie sich frei drehen kann, wobei die erste Verbindungsglied-Einheit des Weiteren einen Einleit-Teil, in den ein Ausgang des Linearbewegungs-Antriebsgliedes an einer Seite des ersten Verbindungsglied-Körpers aufgrund des ersten Lagerungs-Teils eingeleitet wird, sowie einen Ableit-Teil aufweist, der sich an dem ersten Verbindungsglied-Körper an einer dem Einleit-Teil über den ersten Lagerungs-Teil gegenüberliegenden Seite befindet, und eine zweite Verbindungsglied-Einheit umfasst, die einen zweiten Verbindungsglied-Körper aufweist und über einen zweiten Lagerungs-Teil an dem Ableit-Teil der ersten Verbindungsglied-Einheit so angebracht ist, dass sie sich frei drehen kann, wobei die zweite Verbindungsglied-Einheit des Weiteren über eine dritte Lagerungs-Einheit an dem Dreh-Element oder einem damit verbundenen Verbindungselement so angebracht ist, dass sie sich frei drehen kann. Dabei sind die erste Verbindungsglied-Einheit und die zweite Verbindungsglied-Einheit so ausgebildet, dass, wenn das Dreh-Element eine horizontale angehobene Position einnimmt, in der es sich in einem Drehbewegungs-Bereich in der vorgegebenen Richtung des Dreh-Elementes am nächsten an einem horizontalen Zustand befindet, verglichen mit dem Fall, in dem das Dreh-Element eine am tiefsten liegende Position einnimmt, in der es sich einem Zustand nähert, in dem es sich in dem Drehbewegungs-Bereich von einer Anbringungsposition an dem Träger-Element am weitesten nach unten erstreckt, ein Verbindungswinkel, der durch eine erste gerade Linie, die Verbindung zwischen einem Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Teils und einem Lagerungs-Punkt des zweiten Lagerungs-Teils herstellt, und eine zweite gerade Linie gebildet wird, die Verbindung zwischen dem Lagerungs-Punkt des zweiten Lagerungs-Teils und einem Lagerungs-Punkt des dritten Lagerungs-Teils herstellt, größer ist und der Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Teils von dem Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Elementes nach oben entfernt ist.
-
Mit dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Drehantrieb des Dreh-Elementes in der vorgeschriebenen Richtung erreicht, indem eine Antriebskraft des Linearbewegungs-Antriebsgliedes auf das Dreh-Element übertragen wird. Dabei ist die vorgeschriebene Richtung, in der sich das Dreh-Element dreht, eine Richtung, in der die Schwerkraft-Komponente des Dreh-Elementes beim Vorgang der Drehung desselben teilweise oder vollständig auf die Seite des Linearbewegungs-Antriebsgliedes wirkt. Dementsprechend kann die vorgeschriebene Richtung bei einem Roboter eine Drehrichtung sein, die in einer vertikalen Ebene eingeschlossen ist, oder kann eine Drehrichtung sein, die in einer geneigten Ebene eingeschlossen ist, die um einen vorgeschriebenen Winkel zu einer horizontalen Ebene geneigt ist. So wirkt dann, wenn die vorgeschriebene Richtung die in der geneigten Ebene eingeschlossene Drehrichtung ist, die Schwerkraft-Komponente des Dreh-Elementes entsprechend dem vorgeschriebenen Winkel dieser Neigung als eine Schwerkraft-Last auf das Linearbewegungs-Antriebsglied.
-
Auch bei dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung arbeitet wie bei der oben dargestellten Konstruktion die erste Verbindungsglied-Einheit als ein Schwenk-Verbindungsglied, das sich über die Lagerung des ersten Lagerungs-Teils wie ein Schwenkarm hin- und her bewegt, so dass die Richtung der Bewegung des Ableit-Teils entgegengesetzt zu der Richtung der Bewegung des Einleit-Teils ist, die durch den Ausgang des Linearbewegungs-Antriebsgliedes bewirkt wird. So wird der in die erste Verbindungsglied-Einheit eingeleitete Ausgang des Linearbewegungs-Antriebsgliedes über den Ableit-Teil zu dem zweiten Lagerungs-Teil übertragen, und wird weiter zu dem Dreh-Element übertragen, so dass Drehantrieb des Dreh-Elementes in der vorgeschriebenen Richtung ausgeführt wird. Dementsprechend kann wie bei der oben dargestellten Konstruktion die Längenabmessung des gesamten Drehantriebs-Mechanismus verkleinert werden, und auch die Größe des Linearbewegungs-Antriebsgliedes kann verringert werden.
-
Bei der vorliegenden Erfindung sind „nach oben“ und „nach unten“ Begriffe, die jeweils für eine Richtung stehen, in der die Schwerkraft-Last in Bezug auf ein Antriebsglied wirkt, so beispielsweise für eine vertikale Richtung. Dabei ist, wenn der Roboter auf einer Aufstellfläche steht, eine Richtung von der Fuß-Seite zur Kopf-Seite des Roboters die mit „nach oben“ bezeichnete Richtung, und ist die dazu entgegengesetzte Richtung die mit „nach unten“ bezeichnete Richtung. So befindet sich dann, wenn das Träger-Element die am tiefsten liegende Position in dem Drehbewegungsbereich des Dreh-Elementes einnimmt, das Dreh-Element in dem Zustand, in dem es sich nach unten erstreckt, so dass das Linearbewegungs-Antriebsglied die Schwerkraft-Last des Dreh-Elementes im Wesentlichen nicht aufnehmen muss.
-
Hingegen befindet sich dann, wenn das Dreh-Element die horizontale angehobene Position in dem Drehbewegungs-Bereich einnimmt, das Dreh-Element in einem Zustand, in dem es in dem Drehbewegungs-Bereich der Horizontalen am nächsten ist, so dass die auf das Linearbewegungs-Antriebsglied ausgeübte Schwerkraft-Last relativ groß ist. Dementsprechend werden die erste Verbindungsglied-Einheit und die zweite Verbindungsglied-Einheit unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen der Position des Dreh-Elementes in dem Drehbewegungs-Bereich und der auf das Linearbewegungs-Antriebsglied ausgeübten Schwerkraft-Last ausgebildet.
-
Das heißt, die erste Verbindungsglied-Einheit und die zweite Verbindungsglied-Einheit arbeiten so, dass, wenn das Dreh-Element die horizontale angehobene Position einnimmt, der Verbindungswinkel größer ist als in dem Fall, in dem das Dreh-Element die am tiefsten liegende Position einnimmt, und der Lagerungs-Punkt des dritten Lagerungs-Teils, der Verbindung zwischen der zweiten Verbindungsglied-Einheit und der Seite des Dreh-Elementes herstellt, nach oben von dem Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Teils entfernt ist. So arbeitet jede Verbindungsglied-Einheit auf diese Weise, und daher ist, wenn sich das Dreh-Element in der horizontalen angehobenen Position befindet, die Anordnung der einzelnen Lagerungs-Punkte des ersten Lagerungs-Teils, des zweiten Lagerungs-Teils und des dritten Lagerungs-Teils, die in beiden Verbindungsglied-Einheiten enthalten sind, nahezu linear, und liegt der Lagerungs-Punkt des dritten Lagerungs-Teils, der dem Dreh-Element am nächsten ist, höher als der Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Teils, der dem Linearbewegungs-Antriebsglied am nächsten ist, so dass ein senkrechter Zustand, in dem die einzelnen Lagerungs-Punkte des ersten Lagerungs-Teils, des zweiten Lagerungs-Teils und des dritten Lagerungs-Teils in der vertikalen Richtung aufrechtstehend angeordnet sind, oder ein Zustand hergestellt wird, der dem senkrechten Zustand nahe ist.
-
Dadurch wird die von dem Dreh-Element in der horizontalen angehobenen Position ausgeübte Schwerkraft-Last von den Lagerungs-Punkten der einzelnen Lagerungs-Teile der ersten Verbindungsglied-Einheit und der zweiten Verbindungsglied-Einheit aufgenommen, und so wird der Großteil der Schwerkraft-Last von dem mit dem Träger-Element verbundenen ersten Lagerungs-Teil aufgenommen. So kann die im Wesentlichen auf das Linearbewegungs-Antriebsglied ausgeübte Schwerkraft-Last verringert werden, wodurch es möglich wird, die Verringerung der Größe des Linearbewegungs-Antriebsgliedes zu erreichen. Dabei wird eine derartige Anordnung der einzelnen Lagerungs-Punkte des ersten Lagerungs-Teils, des zweiten Lagerungs-Teils und des dritten Lagerungs-Teils aufgrund der Konstruktion ermöglicht, bei der, wie oben erwähnt, die erste Verbindungsglied-Einheit als eine Schwenk-Verbindungsglied-Einheit ausgebildet ist und der Einleit-Teil und der Ableit-Teil an den einander gegenüberliegenden Seiten des ersten Lagerungs-Teils angeordnet sind.
-
Dabei ist anzumerken, dass die horizontale angehobene Position bei der vorliegenden Erfindung eine Position ist, in der sich das Dreh-Element in einem Zustand befindet, in dem es in dem Drehbewegungs-Bereich des Dreh-Elementes der Horizontalen am nächsten ist, d. h. eine Position, in der sich das Dreh-Element in einem Zustand befindet, der dem Zustand am nächsten ist, in dem die von dem Dreh-Element auf das Linearbewegungs-Antriebsglied wirkende Schwerkraft-Last ein Maximum erreicht. Dementsprechend ist die horizontale angehobene Position nicht notwendigerweise auf die Position beschränkt, an der sich das Dreh-Element in dem horizontalen Zustand befindet. Desgleichen ist die am tiefsten liegende Position in der vorliegenden Erfindung eine Position, an der sich das Dreh-Element am weitesten nach unten erstreckt, d. h. eine Position, an der sich das Dreh-Element in einem Zustand befindet, der einem Zustand am nächsten ist, in dem die von dem Dreh-Element auf das Linearbewegungs-Antriebsglied wirkende Schwerkraft-Last ein Minimum erreicht. Dementsprechend ist die am tiefsten liegende Position nicht notwendigerweise auf die Position beschränkt, in der sich das Dreh-Element in der vertikal nach unten verlaufenden Richtung erstreckt.
-
Es kann ein Drehantriebs-Mechanismus geschaffen werden, mit dem die Verringerung der Größe eines Antriebsgliedes zum drehenden Antreiben eines Dreh-Elementes eines Roboters erzielt werden kann.
- 1 ist eine Vorderansicht eines Roboters, bei dem Drehantriebsmechanismen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
- 2 ist eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Roboters.
- 3 ist eine Hinteransicht des in 1 gezeigten Roboters.
- 4 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Arm-Einheit und eine Antriebs-Einheit bei dem in 1 gezeigten Roboter entfernt sind.
- 5 ist eine Ansicht, die die in 4 entfernte Antriebs-Einheit zeigt.
- 6 ist eine erste Ansicht, die den Aufbau eines Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 7 ist eine zweite Ansicht, die den Aufbau des Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 8 ist eine dritte Ansicht, die den Aufbau des Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 9 ist eine vierte Ansicht, die den Aufbau des Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 10 ist eine erste Ansicht, die die Funktion eines in dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung enthaltenen Verbindungsglied-Mechanismus zeigt.
- 11 ist eine zweite Ansicht, die die Funktion eines in dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung enthaltenen Verbindungsglied-Mechanismus zeigt.
-
Im Folgenden werden spezielle Formen bzw. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf Basis der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Jedoch sollen die Abmessungen, Materialien, Formen, relativen Anordnungen von Einzelteilen usw., wie sie in den Ausführungsformen beschrieben werden, den technischen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht lediglich speziell auf diese beschränken, sofern dies nicht ausdrücklich angemerkt wird.
-
Ausführungsform 1
-
Aufbau von Roboter 10
-
Im Folgenden wird der Gesamtaufbau eines Roboters 10, an dem Drehantriebs-Mechanismen gemäß der vorliegenden Erfindung installiert sind, anhand von 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine Vorderansicht des Roboters 10, 2 ist eine Seitenansicht des Roboters 10 von links, und 3 ist eine Hinteransicht des Roboters 10. Es ist dabei anzumerken, dass, um einfaches und deutliches Verständnis zu ermöglichen, in jeder dieser Figuren der Innenaufbau des Roboters 10 in einem Zustand dargestellt ist, in dem eine Abdeckung des Hauptkörpers bis auf eine linke Hand weggelassen ist. Es ist des Weiteren anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform davon ausgegangen wird, dass die Richtung der Vorwärtsbewegung des Roboters 10 als eine positive bzw. +-Richtung einer x-Achse festgelegt ist, eine Richtung von dem Roboter 10 aus nach links als eine positive bzw. +-Richtung einer y-Achse festgelegt ist und eine der Schwerkraft entgegengesetzte Richtung des Roboters 10 als eine positive bzw. +-Richtung einer z-Achse festgelegt ist, die x-Achse eine Roll-Achse ist, die y-Achse eine Nick-Achse ist und die z-Achse eine Gier-Achse ist. Dementsprechend ist eine Drehung um die x-Achse herum eine Roll-Bewegung, eine Drehung um die y-Achse herum eine Nick-Bewegung und eine Drehung um die z-Achse herum eine Gier-Bewegung. Des Weiteren ist eine nach oben verlaufende Richtung in der vorliegenden Ausführungsform die positive bzw. +-Richtung auf der z-Achse, d. h. die der Schwerkraft entgegengesetzte Richtung, und ist andererseits eine nach unten verlaufende Richtung die negative bzw. --Richtung der z-Achse, d. h. die Richtung der Schwerkraft. Eine nach links und nach rechts verlaufende Richtung ist eine von dem Roboter 10 aus gesehen nach links und rechts verlaufende Richtung, wobei die positive bzw. +-Richtung auf der y-Achse eine nach links verlaufende Richtung ist und eine negative bzw. -Richtung auf der y-Achse eine nach rechts verlaufende Richtung ist.
-
Der Roboter 10 ist ein humanoider Roboter und hat einen Körper, der eine Skelettstruktur eines Menschen nachahmt. Schematisch besteht die Skelettstruktur der oberen Hälfte des Körpers des Roboters (im Folgenden der Einfachheit halber als eine „Skelettstruktur der oberen Körperhälfte“ bezeichnet) aus einem Rückgrat-Teil 14, der sich in 1 in der Richtung der z-Achse erstreckt und verschiedene Typen weiter unten erläuterter Knochen-Teile 14a-14d enthält, die aus Blech bestehen, einem Hüftknochen-Teil 15, der mit dem Rückgrat-Teil 14 so verbunden ist, dass er ihn trägt, sowie einem Becken-Teil 16, der den Hüftknochen-Teil 15 trägt und mit dem ein nicht dargestelltes Paar Beine des Roboters 10 verbunden ist. Weiterhin ist der Hals 13 des Roboters 10 mit dem Rückgrat-Teil 14 verbunden, und des Weiteren ist ein Kopf 11 an dem Hals 13 angeordnet. Dabei ist anzumerken, dass eine Kamera zum Fotografieren der Außenumgebung an dem Kopf 11 installiert ist. Durch die Verbindung des Kopfes 11 mit dem Rückgrat-Teil 14 über diesen Hals 13 wird es dem Kopf 11 ermöglicht, eine Roll-Bewegung und eine Gier-Bewegung in Bezug auf den Rückgrat-Teil 14 durchzuführen, jedoch bildet der Innenaufbau des Roboters für diese Bewegungen nicht den Kern der vorliegenden Erfindung, so dass auf eine ausführliche Erläuterung desselben in der vorliegenden Beschreibung verzichtet wird.
-
Des Weiteren sind bei dem Roboter 10 Antriebs-Einheiten 20, mit denen der Antrieb der oberen Körperhälfte gesteuert wird, an einer rechten oberen Körperhälfte bzw. einer linken oberen Körperhälfte angeordnet. Dabei sind, wie in 4 gezeigt, ein vorderer Schlüsselbein-Teil 14a an der vorderen Seite des Roboters und ein hinterer Schlüsselbein-Teil 14d an der hinteren Seite des Roboters mit dem Rückgrat-Teil 14 an Positionen verbunden, die in Schulter-Teilen des Roboters 10 liegen. Des Weiteren sind ein vorderer Brustbein-Teil 14c an der vorderen Seite des Roboters und ein hinterer Brustbein-Teil 14d an der hinteren Seite des Roboters mit dem Rückgrat-Teil 14 an Positionen verbunden, die in einem Brustkorb-Teil (ein Abschnitt, der tiefer liegt als die Schulter-Teile) des Roboters liegen. Vorgegebene Räume werden durch diese Knochen-Teile 14a-14d und den Rückgrat-Teil 14 an der rechten bzw. der linken Seite des Rückgrat-Teils 14 in der oberen Körperhälfte des Roboters 10 gebildet. Die Antriebs-Einheiten 20 sind so angeordnet, dass sie in den vorgegebenen Räumen an der rechten bzw. linken Seite aufgenommen sind, und die Antriebs-Einheiten 20 sind mit den einzelnen Knochen-Teilen 14a-14d verbunden. Dadurch sind die zwei Antriebs-Einheiten 20 im Inneren des Roboters 10 installiert. Die Knochen-Teile 14a-14d sind in Bezug auf den Rückgrat-Teil 14 aus flachem plattenförmigem Blech so ausgebildet, dass die Anbringung der Antriebs-Einheiten 20 in Bezug auf den Rückgrat-Teil 14 relativ flexibel ausgeführt wird.
-
Aufbau der Antriebs-Einheiten 20
-
In 4 ist ein Zustand gezeigt, in dem eine Arm-Einheit 50 an der linken Seite des Roboters 10 und die entsprechende Antriebs-Einheit 20 für die linke obere Körperhälfte zusammen von der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 entfernt sind. Die Antriebs-Einheiten 20 sind also jeweils so aufgebaut, dass sie zusammen mit der entsprechenden Arm-Einheit 50 von der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 entfernt werden können, so dass Effizienz bei der Montage und Wartung des Roboters 10 in geeigneter Weise gewährleistet sind. In jeder der Antriebs-Einheiten 20 ist ein Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung installiert, und Drehantrieb der entsprechenden Arm-Einheit 50, die einem Dreh-Element gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, wird mit diesem Drehantriebs-Mechanismus ausgeführt. Im Folgenden werden anhand von 5 und 6 die Details des Drehantriebs-Mechanismus erläutert. Dabei ist anzumerken, dass die Antriebs-Einheit 20 für die linke obere Körperhälfte des Roboters 10 in 5 offenbart bzw. dargestellt ist und andererseits in 6 eine detaillierte Struktur der Antriebs-Einheit 20 für die rechte obere Körperhälfte des Roboters 10 offenbart ist. Des Weiteren ist anzumerken, dass in 6, um das Innere der Antriebs-Einheit 20 zu zeigen, ein Teil der Konstruktion derselben (die Konstruktion einer äußeren Trägerplatte 21 usw., die weiter unten beschrieben wird) weggelassen ist. Des Weiteren haben die Antriebs-Einheit 20 für die linke obere Körperhälfte und die Antriebs-Einheit 20 für die rechte obere Körperhälfte in der vorliegenden Beschreibung den gleichen Aufbau, und daher gilt eine Erläuterung anhand von 5 und 6 für die Antriebs-Einheiten 20 und die Drehantriebs-Mechanismen in ihrem Inneren an den einander gegenüberliegenden Seiten.
-
Jede Antriebs-Einheit 20 weist einen Aufnahmeraum auf, der durch eine äußere Trägerplatte 21 und eine innere Trägerplatte 22, die mit der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 verbunden sind, sowie durch einen Abstandshalter 23 gebildet wird, der zwischen beiden Trägerplatten angeordnet ist. In einem Zustand, in dem eine Arm-Einheit 50 mit der entsprechenden Antriebs-Einheit 20 verbunden ist, ist die äußere Trägerplatte 21 eine Trägerplatte, die an der äußeren Seite des Roboters 10, d. h. an einer Seite angeordnet ist, die nahe an der Arm-Einheit 50 liegt, und ist die innere Trägerplatte 22 eine Trägerplatte, die an der inneren Seite des Roboters 10 angeordnet ist. Dabei ist anzumerken, dass ein Lagerungs-Element 28, mit dem die Arm-Einheit 50 so gelagert wird, dass sie sich in Bezug auf die Nick-Achse frei drehen kann, an der äußeren Trägerplatte 21 so angebracht ist, dass die Arm-Einheit 50 über das Lagerungs-Element 28 mit der Seite der Antriebs-Einheit 20 verbunden ist. Als dieses Lagerungs-Element 28 wird unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Arm-Einheit 50 des Roboters 10, die ein relativ starkes Moment aufweist, innerhalb eines begrenzten räumlichen Volumens aufgenommen ist, vorzugsweise ein Lagerungs-Element eingesetzt, das Lasten in allen Richtungen, wie beispielsweise eine radiale Last, eine axiale Last usw., mittels eines Lagers aufnehmen kann. Beispielsweise ist es möglich, einen Kreuzrollenring einzusetzen, wie er von THK CO., LTD hergestellt wird.
-
Dabei ist der Abstandshalter 23 ein stabförmiges Element, das eine Länge hat, die den Zwischenraum zwischen den beiden Trägerplatten bestimmt. Die durch die äußere Trägerplatte 21, die innere Trägerplatte 22 und den Abstandshalter 23 gebildete Konstruktion bildet sozusagen das Gehäuse der Antriebs-Einheit 20, wobei dieses Gehäuse an der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 befestigt ist und drei Antriebsglieder 24, 25, 26 sowie ein Verbindungs-Mechanismus 30, der mit dem Antriebsglied 24 verbunden ist, darin angeordnet sind. Dabei ist anzumerken, dass die äußere Trägerplatte 21, die in dem Gehäuse enthalten ist, einem Träger-Element gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht.
-
Zunächst wird das Antriebsglied 24 erläutert. Das Antriebsglied 24 ist ein Linearbewegungs-Antriebsglied, das einen Servomotor, einen Hauptkörper 24a sowie eine Ausgangswelle 24b aufweist, die lineare Bewegung in der axialen Richtung des Antriebsgliedes durchführt, und ist an der äußeren Trägerplatte 21 sowie der inneren Trägerplatte 22 befestigt. An der Außenumfangsfläche der Ausgangswelle 24b ist eine Spiralgewindenut ausgebildet, und eine Kugelgewindemutter (nicht dargestellt), die in Gewindeeingriff mit der Gewindenut der Ausgangswelle 24b ist, ist in dem Hauptkörper 24a so aufgenommen, dass Drehung derselben nur um eine Achsenlinie des Hauptkörpers zugelassen wird. Der Servomotor ist dabei mit dem Hauptkörper 24a so verbunden, dass die Kugelgewindemutter gedreht wird, und die Bewegung der Kugelgewindemutter in der axialen Richtung ist innerhalb des Hauptkörpers 24a so eingeschränkt, dass die Ausgangswelle 24b mittels des Antriebs des Servomotors dadurch geradlinige Bewegung, d. h. lineare Bewegung, in der axialen Richtung durchführt.
-
Die Ausgangswelle 24b Des Antriebsgliedes 24 ist mit einer ersten Verbindungsglied-Einheit 31 von der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 und einer zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 verbunden, die zusammen den Verbindungs-Mechanismus 30 bilden. Dabei ist anzumerken, dass dieser Verbindungs-Mechanismus 30 dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht. Dabei weist die erste Verbindungsglied-Einheit 31 zwei Wandabschnitte 31a auf, die sich, wie in 8 und 9 gezeigt, die weiter unten beschrieben werden, in der gleichen Richtung von den einander gegenüberliegenden Enden eines Trägerabschnitts 31c aus erstrecken, und eine Brücke 31b, die die beiden Wandabschnitte 31a miteinander verbindet, ist so angeordnet, dass sie parallel zu dem Trägerabschnitt 31 c ist. Dieser Trägerabschnitt 31c ist über ein Lager, das einem ersten Lagerungs-Teil gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, so gelagert, dass er sich in Bezug auf die äußere Trägerplatte 21 und die innere Trägerplatte 22 frei drehen kann, so dass ein erster Lagerungs-Punkt 33 gebildet wird, der ein Lagerungs-Punkt des ersten Lagerungs-Teils ist. Des Weiteren ist die Ausgangswelle 24b des Antriebsgliedes 24 so mit der Brücke 31b verbunden, dass ihre Richtung in Bezug auf die erste Verbindungsglied-Einheit 31 variabel ist, wobei ein Verbindungs-Punkt zwischen der Ausgangswelle des Antriebsgliedes und der Brücke mit 31e gekennzeichnet ist. Darüber hinaus ist ein hinterer Endabschnitt 31d, der sich von dem Trägerabschnitt 31c aus erstreckt, an der der Brücke 31b über den Trägerabschnitt 31c gegenüberliegenden Seite angeordnet. Die Richtung, in der sich der hintere Endabschnitt 31 d erstreckt, entspricht nicht einer geraden Linie, die Verbindung zwischen dem Verbindungs-Punkt 31e an der Brücke 31b und dem ersten Lagerungs-Punkt 33 herstellt, sondern ist eine Richtung, in der das Antriebsglied 24 nicht in Bezug auf die gerade Linie angeordnet ist, d. h. eine Richtung, in der ein weiter unten beschriebener dritter Lagerungs-Punkt 35 positioniert ist. Diese zweite Verbindungsglied-Einheit 32 ist über ein Lager, das einem zweiten Lagerungs-Teil gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, an einem Ende des hinteren Endabschnitts 31d (d. h. einem Ende an der gegenüberliegenden Seite eines Verbindungsabschnitts derselben mit dem Trägerabschnitt 31c) so gelagert, dass sie sich frei drehen kann, so dass ein zweiter Lagerungs-Punkt 34 gebildet wird, der ein Lagerungs-Punkt des zweiten Lagerungs-Teils ist.
-
So ist die erste Verbindungsglied-Einheit 31 als ein Verbindungsglied-Körper (der einem ersten Verbindungsglied-Körper gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht) ausgebildet, der die Wandabschnitte 31a, die Brücke 31b, den Trägerabschnitt 31c und den hinteren Endabschnitt 31d umfasst. Dabei ist die erste Verbindungsglied-Einheit 31 so ausgebildet, dass, wenn der erste Lagerungs-Punkt 33, an dem der Verbindungsglied-Körper der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 frei drehbar gelagert ist, als ein Bezugspunkt gewählt wird, die Brücke 31b, mit der die Ausgangswelle 24b des Antriebsgliedes 24 verbunden ist, an einer Seite des ersten Lagerungs-Punktes 33 positioniert ist und der hintere Endabschnitt 31d, mit dem die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 verbunden ist, an der äußeren Seite des ersten Lagerungs-Punktes 33 positioniert ist. Daher haben ein Punkt, an dem der Ausgang des Antriebsgliedes 24 wirkt, d. h. der Verbindungs-Punkt 31 e, an dem der Ausgang des Antriebsgliedes 24 in die erste Verbindungsglied-Einheit 31 eingeleitet wird, und ein Punkt, an dem eine Kraft über die erste Verbindungsglied-Einheit 31 zu der Seite der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 übertragen wird, d. h. der zweite Lagerungs-Punkt 34, an dem der Ausgang von dem Antriebsglied 24 zu der Seite der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 abgeleitet wird, eine Korrelation, in der sie sich an dem ersten Lagerungs-Punkt 33 wie ein Schwenkarm hin-und her bewegen, und ist darüber hinaus die erste Verbindungsglied-Einheit 31 als ein Schwenk-Verbindungsglied ausgebildet. Das heißt, die erste Verbindungsglied-Einheit 31 ist so ausgebildet, dass, wenn sich der Verbindungs-Punkt 31e nach oben bewegt, sich der zweite Lagerungs-Punkt 34 nach unten bewegt und umgedreht, wenn sich der Verbindungs-Punkt 31e nach unten bewegt, sich der zweite Lagerungs-Punkt 34 nach oben bewegt. Damit ist es, da die erste Verbindungsglied-Einheit 31 als das Schwenk-Verbindungsglied ausgebildet ist, möglich, die Größe des zum Übertragen des Ausgangs des Antriebsgliedes 24 erforderlichen Mechanismus, insbesondere die Längenabmessung desselben, zu verringern. Des Weiteren wird es, durch Ausnutzung der Schwenkarm-Form der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 möglich, Verstärkung des Ausgangs des Antriebsgliedes 24 zu erzielen, und dies trägt ebenfalls zur Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 24 bei.
-
Weiterhin ist die zweite Verbindungsglied-Einheit 32, wie oben erwähnt, an ihrem einen Ende drehbar mit dem hinteren Endabschnitt 31d der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 an dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 verbunden und ist des Weiteren an ihrem anderen Ende über ein Lager, das einem dritten Lagerungs-Teil gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, so gelagert, dass sie sich frei in Bezug auf eine Platte 51 (die einem Verbindungselement gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht) drehen kann, die mit einem Ende der Arm-Einheit 50 des Roboters 10 verbunden ist, wie dies in 9 dargestellt ist, die weiter unten beschrieben wird, so dass ein dritter Lagerungs-Punkt 35 gebildet wird, der ein Lagerungs-Punkt an dem dritten Lagerungs-Teil ist. So ist die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 so ausgebildet, dass sie einen plattenförmigen Hauptkörper (der einem zweiten Verbindungsglied-Körper gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht) hat, der den zweiten Lagerungs-Punkt 34 und den dritten Lagerungs-Punkt 35 einschließt, und dient die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 dazu, eine Kraft, die von der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 ausgeübt wird, auf die Platte 51 zu übertragen. Diese Platte 51 ist eine Platte, die mit dem Ende der Arm-Einheit 50 verbunden ist, die über das Lagerungs-Element 28 drehbar installiert ist, und sich zusammen mit der Arm-Einheit 50 entsprechend der Drehung der Arm-Einheit 50 in der Nick-Richtung dreht. Dabei befindet sich der Lagerungs-Punkt 35 an einer Position, die um eine vorgegebene Strecke gegenüber dem Drehmittelpunkt dieser Arm-Einheit 50 in der Nick-Richtung verschoben ist, und wird die über die erste Verbindungsglied-Einheit 31 und die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 auf die Platte 51 übertragene Kraft eine Antriebskraft, die bewirkt, dass sich die Arm-Einheit 50 in der Nick-Richtung dreht.
-
So wird die Antriebskraft des Antriebsgliedes 24 mittels des Verbindungs-Mechanismus 30, der aus der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 und der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 besteht, auf die Arm-Einheit 50 übertragen, wodurch die Drehbewegung der Arm-Einheit 50 in der Nick-Richtung bewirkt wird. Dabei ist die Arm-Einheit 50 über das Lagerungs-Element 28 an der äußeren Trägerplatte 21 gelagert und ist die erste Verbindungsglied-Einheit 31 drehbar an der äußeren Trägerplatte 21 sowie der inneren Trägerplatte 22 gelagert, so dass die Drehrichtungen der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 und der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 die gleiche Richtung sind wie die der Drehung der Arm-Einheit 50 in der Nick-Richtung.
-
Im Folgenden wird das Antriebsglied 25 erläutert. Das Antriebsglied 25 ist wie das Antriebsglied 24 ein Linearbewegungs-Antriebsglied, und das Funktionsprinzip desselben ist ebenfalls das gleiche. Die Ausgangswelle des Antriebsgliedes 25 ist mit der Seite eines Endes des Schwenk-Verbindungsglied-Teils 18 verbunden, das über den Lagerungs-Punkt 18a drehbar an der äußeren Trägerplatte 21 und der inneren Trägerplatte 22 installiert ist. Dabei ist mit der Seite des anderen Endes des Schwenk-Verbindungsglied-Teils 18 über einen Lagerungs-Punkt 18b ein Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17 drehbar verbunden, und ist das Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17 des Weiteren mit dem Hüftknochen-Teil 15 verbunden. Dieser Schwenk-Verbindungsglied-Teil 18 hat wie bei der oben dargestellten ersten Verbindungsglied-Einheit 31 die Form eines Schwenkarms, und daher kann die Größe des zum Übertragen des Ausgangs des Antriebsgliedes 25 erforderlichen Mechanismus, insbesondere die Längenabmessung desselben, verringert werden, und des Weiteren ist es möglich, Verstärkung des Ausgangs des Antriebsgliedes 25 zu erzielen, wobei dies auch zur Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 25 beiträgt.
-
In der rechten und der linken oberen Körperhälfte des Roboters 10 wird der Ausgang des Antriebsgliedes 25 auf den Hüftknochen-Teil 15 übertragen, so dass die obere Körperhälfte des Roboters 10 so angetrieben wird, dass sie sich aufgrund der nicht im Einzelnen dargestellten Konstruktion des Hüftknochen-Teils 15 in der Roll-Richtung sowie in der Gier-Richtung in Bezug auf den Becken-Teil 16 dreht. Dabei ist anzumerken, dass der Drehantrieb der oberen Körperhälfte in Bezug auf diesen Becken-Teil 16 nicht durch den Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung verursacht wird, so dass auf eine ausführliche Erläuterung desselben verzichtet wird.
-
Des Weiteren ist nur das Antriebsglied 25 in der Antriebs-Einheit 20 enthalten, und der Schwenk-Verbindungsglied-Teil 18 sowie der Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17, die mit dem Antriebsglied 25 zusammenhängende Verbindungsglied-Teile sind, sind nicht in der Antriebs-Einheit 20 enthalten (zu sehen in einem Zustand, in dem die Antriebs-Einheit entfernt worden ist, wie er in 4 dargestellt ist). Dies ist darauf zurückzuführen, dass, wenn die Verbindung zwischen dem Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17 und dem Hüftknochen-Teil 15 beim Entfernen der Antriebs-Einheit 20 aufgehoben bzw. getrennt wird, der Schwenk-Verbindungsglied-Teil 18 und der Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17 aus dem Gehäuse der Antriebs-Einheit 20 vorstehen und ihre Handhabung erschwert wird. Natürlich kann die Antriebs-Einheit 20 von der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte entfernt werden, so dass der Schwenk-Verbindungsglied-Teil 18 und der Übertragungs-Verbindungsglied-Teil 17 in der Antriebs-Einheit 20 eingeschlossen sind.
-
Im Folgenden wird der Aufbau des hinteren Teils des Roboters 10 anhand von 7 erläutert. 7 ist eine Ansicht, die den Aufbau des hinteren Teils der Antriebs-Einheit 20 zeigt. Es ist, wie in 7 gezeigt, ein Feder-Anbringungsabschnitt 52 vorhanden, der sich in einer Breitenrichtung der Schulter des Roboters 10 von der Platte 51 aus erstreckt. Zwei Federn 19, mit denen eine Drückkraft auf den hinteren Brustbein-Teil 14d ausgeübt wird, sind an diesem Feder-Anbringungsabschnitt 52 angebracht. Die Federn 19 entsprechen einem Federelement gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Verbindungsposition jeder Feder 19 in dem hinteren Brustbein-Teil 14d ist mit 19a gekennzeichnet.
-
Der Feder-Anbringungsabschnitt 52 befindet sich an der Platte 51, die Nick-Drehung zusammen mit der Arm-Einheit 50 durchführt, und die Verbindungsposition 19a befindet sich an der Seite des hinteren Brustbein-Teils 14d, der die Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 bildet, so dass die durch die Federn 19 ausgeübte Drückkraft ein Drehmoment erzeugt, das zu der Nick-Drehung der Arm-Einheit 50 beiträgt. Diese durch die Federn 19 ausgeübte Drückkraft wird weiter unten beschrieben.
-
Funktion des Verbindungs-Mechanismus 30
-
Der Verbindungs-Mechanismus 30 besteht, wie oben erwähnt, aus der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 und der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32, und dient dazu, die Antriebskraft des Antriebsgliedes 24 auf die Platte 51 zu übertragen, die mit der Arm-Einheit 50 verbunden ist, so dass die Arm-Einheit 50 angetrieben wird und sich in der Nick-Richtung dreht. Dabei entspricht dieser Verbindungs-Mechanismus 30 dem Drehantriebs-Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung, und im Folgenden werden die Details der Funktion desselben anhand von 8, 9 und 10 erläutert.
-
8 zeigt den Innenraum der Antriebs-Einheit 20 um den Verbindungs-Mechanismus 30 herum in einem Zustand, in dem sich die Arm-Einheit 50 an der am weitesten unten liegenden bzw. tiefsten Position befindet, in der sie sich in einem Zustand, in dem sich die Arm-Einheit 50 vertikal nach unten erstreckt, d. h. in einem Zustand, in dem die Arm-Einheit 50 über das Lagerungs-Element 28 drehbar gelagert ist, entlang der Schwerkraft-Komponente am weitesten nach unten erstreckt. 9 hingegen zeigt den Innenraum der Antriebs-Einheit 20 um den Verbindungs-Mechanismus 30 herum in einem Zustand, in dem sich die Arm-Einheit 50 in einer horizontalen angehobenen Position befindet, in der sie in einem Zustand, in dem sich die Arm-Einheit 50 in der horizontalen Richtung erstreckt, d. h. in einem Zustand, in dem die Arm-Einheit 50 über das Lagerungs-Element 28 drehbar gelagert ist, veranlasst wird, sich gegen die Schwerkraft-Komponente von der am weitesten unten liegenden bzw. tiefsten Position nach oben zu bewegen. Das heißt, 8 stellt einen Zustand dar, in dem die Schwerkraft-Last an dem Antriebsglied 24 durch das Eigengewicht der Arm-Einheit 50 ein Minimum erreicht, und 9 stellt einen Zustand dar, in dem die Schwerkraft-Last ein Maximum erreicht.
-
Des Weiteren zeigt 10 die einzelnen Verbindungsglied-Einheiten, die den Verbindungs-Mechanismus 30 bilden, jeweils in einem Zustand, in dem sie auf einer z-y-Ebene vorstehen, so dass der Zustand jeder Verbindungsglied-Einheit leicht verständlich wird. Daher wird die erste Verbindungsglied-Einheit 31 in Form eines liegenden V bzw. einer geknickten Form dargestellt, bei der eine gerade Linie, die Verbindung zwischen dem Verbindungs-Punkt 31e und dem ersten Lagerungs-Punkt 33 herstellt, und eine gerade Linie, die Verbindung zwischen dem ersten Lagerungs-Punkt 33 und dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 herstellt, zueinander gekrümmt sind. Dabei ist anzumerken, dass im Einzelnen die linke Figur (a) von 10 den Zustand des Verbindungs-Mechanismus 30 für den Fall darstellt, dass sich die Arm-Einheit 50, wie in 8 gezeigt, an der tiefsten Position befindet, und die rechte Figur (b) von 10 den Zustand des Verbindungs-Mechanismus 30 für den Fall darstellt, dass sich die Arm-Einheit 50, wie in 9 gezeigt, in der horizontalen angehobenen Position befindet.
-
Im Folgenden wird die Funktion des Verbindungs-Mechanismus 30 bei dem Roboter 10 für den Fall erläutert, dass die Arm-Einheit 50 angetrieben wird und sich von der tiefsten Position an die horizontale angehobene Position dreht. Wenn die Arm-Einheit 50 bei dem Roboter 10 die tiefste Position einnimmt, befindet sich die Ausgangswelle 24b des Antriebsgliedes 24 in einem Zustand, in dem sie die höchste bzw. oberste Position im Inneren der Antriebs-Einheit 20 einnimmt, wie dies in 8 dargestellt ist. So befindet sich der zweite Lagerungs-Punkt 34, wie in (a) von 10 gezeigt, in einem Zustand, in dem er die unterste bzw. tiefste Position einnimmt, die der zweite Lagerungs-Punkt 34 einnehmen kann. Daher tritt durch den Einfluss der Position dieses zweiten Lagerungs-Punktes 34 ein Zustand ein, in dem die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 die Platte 51 nach unten eingezogen hat, so dass die tiefste Position der Arm-Einheit 50 über den in (a) von 10 gezeigten Zustand eingestellt wird.
-
So dreht sich, wenn die Ausgangswelle 24b von dem in (a) von 8 gezeigten Zustand durch den Antrieb des Antriebsgliedes 24 in den Hauptkörper 24a eingezogen wird (d. h., wenn sich die Ausgangswelle 24 in dem Roboter 10 linear nach unten bewegt), die erste Verbindungsglied-Einheit 31 in (a) von 10 entgegen dem Uhrzeigersinn um den ersten Lagerungs-Punkt 33 herum. Das heißt, aufgrund der nach unten gerichteten linearen Bewegung der Ausgangswelle 24b bewegt sich der Verbindungs-Punkt 31e, der dem Einleit-Teil in der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 entspricht, nach unten, und gleichzeitig bewegt sich der zweite Lagerungs-Punkt 34, der dem Ableit-Teil in der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 entspricht, nach oben. Dadurch drückt die zweite Verbindungsglied-Einheit 32 die Platte 51 im Uhrzeigersinn nach außen, und so dreht sich in 10 die Arm-Einheit 50 und bewegt sich entsprechend der Drehung der Platte 51 im Uhrzeigersinn nach oben, so dass sie die horizontale angehobene Position erreicht, wie sie in (b) von 10 dargestellt ist.
-
Dabei wird bei einem Vorgang der Aufwärtsbewegung aufgrund von Drehung dieser Arm-Einheit 50 einem Winkel θ (einem Verbindungswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung) besondere Aufmerksamkeit geschenkt, der durch eine gerade Linie, die Verbindung zwischen dem ersten Lagerungs-Punkt 33 und dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 herstellt (die einer ersten geraden Linie gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht), und eine gerade Linie gebildet wird, die Verbindung zwischen dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 und dem dritten Lagerungs-Punkt 35 herstellt (die einer zweiten geraden Linie gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht). Da der erste Lagerungs-Punkt 33 zwischen der äußeren Trägerplatte 21 und der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 sowie zwischen der inneren Trägerplatte 22 und der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 ausgebildet ist, bleibt die Position des ersten Lagerungs-Punktes 33 in Bezug auf die äußere Trägerplatte 21 oder dergleichen unabhängig vom Zustand der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 unverändert. Dann bewegt sich, wenn sich die erste Verbindungsglied-Einheit 31 entgegen dem Uhrzeigersinn von dem in (a) von 10 gezeigten Zustand aus dreht, der zweite Lagerungs-Punkt 34 um diesen ersten Lagerungs-Punkt 33 herum nach oben, und der Verbindungswinkel θ, der zunächst ein spitzer Winkel ist, überschreitet 90° und wird zu einem stumpfen Winkel und wird im in (b) von 10 gezeigten abschließenden Zustand ein Winkel, der nahezu 180° beträgt. Das heißt, aufgrund der Drehung der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 entgegen dem Uhrzeigersinn öffnet sich der Verbindungswinkel θ allmählich, so dass er sich 180° nähert, und bewegt sich der dritte Lagerungs-Punkt 35 nach oben, so dass er sich weiter von dem ersten Lagerungs-Punkt 33 entfernt.
-
Dadurch erstrecken sich in dem Zustand, in dem sich die Arm-Einheit 50, wie in (b) von 10 gezeigt, zur Horizontalen nach oben bewegt hat, die erste gerade Linie, die Verbindung zwischen dem ersten Lagerungs-Punkt 33 und dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 herstellt, und die zweite gerade Linie, die Verbindung zwischen dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 und dem dritten Lagerungs-Punkt 35 herstellt, im Wesentlichen auf einer geraden Linie und entlang der z-Achse. Dabei erreicht die Schwerkraft-Last aufgrund der Schwerkraft-Komponente der Arm-Einheit 50 das Maximum, jedoch sind die drei Lagerungs-Punkte 33, 34, 35 in dem Verbindungs-Mechanismus 30 an dem ersten Lagerungs-Punkt 33 im Wesentlichen auf einer geraden Linie fluchtend miteinander positioniert. Daher kann der Großteil der von der Arm-Einheit 50 übertragenen Schwerkraft-Last an dem ersten Lagerungs-Punkt 33 aufgenommen werden, der über die äußere Trägerplatte 21 usw. gelagert ist, so dass es möglich ist, die über den Verbindungs-Punkt 31e zur Seite des Antriebsgliedes 24 übertragene Last zu reduzieren.
-
Darüber hinaus werden bei dem Verbindungs-Mechanismus 30, wenn sich die Arm-Einheit 50 an einer Position in der Nähe der horizontalen angehobenen Position befindet, die Formen und Abmessungen der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 und der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32 so festgelegt, dass das Verhältnis des Maßes der Drehung der Platte 51, die mit der Arm-Einheit 50 verbunden ist, in Bezug auf das Maß der Verschiebung der Ausgangswelle 24b des Antriebsgliedes 24 kleiner ist als in dem Fall, in dem sich die Arm-Einheit 50 an einer Position in der Nähe der tiefsten Position befindet. Dadurch ist ein Untersetzungsverhältnis, das das Verhältnis des Maßes der Verschiebung der Arm-Einheit 50 in Bezug auf das Maß der Verschiebung des an dem Antriebsglied 24 angebrachten Servomotors ist, so eingestellt, dass es größer ist, wenn sich die Arm-Einheit 50 der horizontalen angehobenen Position nähert. Daher ist, wenn sich die Arm-Einheit 50 in der Nähe der tiefsten Position befindet, das Untersetzungsverhältnis relativ klein, jedoch ist die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last ebenfalls klein, so dass der Grad des Einflusses in Bezug auf das Antriebsglied 24 gering gehalten werden kann. Hingegen kann in der Nähe der horizontalen angehobenen Position, an der die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last relativ groß ist, indem das Untersetzungsverhältnis vergrößert wird, der Grad des Einflusses der durch die Arm-Einheit 50 auf das Antriebsglied 24 ausgeübten Schwerkraft-Last so weit wie möglich verringert werden, wodurch es möglich ist, die Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 24 zu erreichen.
-
Des Weiteren wird bei dem Roboter 10, wie in 7 gezeigt, eine Drückkraft mittels der Federn 19 ausgeübt. Dies wird im Folgenden anhand von 11 erläutert. 11 zeigt die Änderung der durch die Arm-Einheit 50 ausgeübten Schwerkraft-Last in Bezug auf den Drehwinkel der Arm-Einheit 50 im Verlauf der Zeit sowie die Änderung der Drückkraft der Federn 19 im Verlauf der Zeit mittels der Linien L1 bzw. L2. Dabei ist anzumerken, dass auf der Abszissenachse in 11 der Drehwinkel in dem Fall, in dem sich die Arm-Einheit 50 an der tiefsten Position befindet (d. h., in dem in (a) von 10 gezeigten Zustand), 0° beträgt und der Drehwinkel in dem Fall, in dem sich die Arm-Einheit 50 an der horizontalen angehobenen Position befindet (d. h., in dem in (b) von 10 gezeigten Zustand) 90° beträgt. Des Weiteren wird die Drückkraft der Federn 19 in einer Richtung ausgeübt, in der Drehmoment zum Anheben und Drehen der Arm-Einheit 50 in einem in 11 gezeigten Drehwinkelbereich erzeugt wird.
-
Dabei nimmt, wenn sich die Arm-Einheit 50 dreht und sich von der untersten Position an die horizontale angehobene Position nach oben bewegt, wie anhand der Linie L1 zu sehen ist, die Schwerkraft-Last allmählich zu. Dabei verhält sich, wie aus der Linie L2 zu ersehen ist, die Drückkraft der Federn 19 so, dass die Anbringungsposition und die Federkonstante jeder Feder so festgelegt sind, dass ihre Drückkraft in einem Bereich vor Erreichen der horizontalen angehobenen Position durch die Arm-Einheit 50 (d. h., ein Bereich oder eine Position, in dem/an der sich der Drehwinkel im Wesentlichen von 50° auf 75° ändert, und der als „Bereich vorgegebener Last“ bezeichnet wird) größer wird als die mit der Linie L1 dargestellte Schwerkraft-Last. Wenn die Federn 19 so ausgelegt sind, kann in einem Bereich, in dem die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last relativ groß wird, die Arm-Einheit 50 durch die Drückkraft der Federn 19 effektiv gelagert werden, und kann die auf das Antriebsglied 24 ausgeübte Last verringert werden. Dabei ist anzumerken, dass in einem Bereich, in dem die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last noch stärker wird als diejenige in dem Bereich vorgegebener Last (d. h., ein Bereich oder eine Position, in dem/an der sich der Drehwinkel der Arm-Einheit 50 im Wesentlichen von 75° auf 90° ändert) das Untersetzungsverhältnis aufgrund des Verbindungs-Mechanismus 30, wie oben erwähnt, relativ groß wird, so dass, selbst wenn die Drückkraft der Federn 19, wie in 11 gezeigt, geringer wird als die Last-Schwerkraft, die auf das Antriebsglied 24 ausgeübte Schwerkraft-Last verringert werden kann.
-
Des Weiteren ist, wie in 11 gezeigt, in einem Bereich, in dem die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last geringer wird als diejenige in dem Bereich vorgegebener Last (d. h., ein Bereich oder eine Position, in dem/an der sich der Drehwinkel der Arm-Einheit 50 im Wesentlichen von 0° auf 50° ändert) das Untersetzungsverhältnis aufgrund des Verbindungs-Mechanismus 30, wie oben erwähnt, relativ klein, jedoch ist die durch die Arm-Einheit 50 selbst ausgeübte Schwerkraft-Last relativ gering, so dass, selbst wenn die Drückkraft der Federn 19, wie in 11 gezeigt, geringer wird als die Last-Schwerkraft, die auf das Antriebsglied 24 ausgeübte Schwerkraft-Last nicht so stark ist, dass Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 24 verhindert wird.
-
So kann, indem die Drückkraft der Federn 19 unter Berücksichtigung der Korrelation derselben mit dem durch den Verbindungs-Mechanismus 30 bewirkten Untersetzungsverhältnis die auf das Antriebsglied 24 ausgeübte Schwerkraft-Last in dem gesamten Drehantriebs-Bereich der Arm-Einheit 50 verringert werden, und die Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 24 kann erzielt werden.
-
Im Folgenden wird unter erneuter Bezugnahme auf 10 nochmals auf den Verbindungs-Mechanismus 30 eingegangen. In Fällen, in denen sich die Arm-Einheit, wie in (b) von 10 gezeigt, in der horizontalen angehobenen Position befindet, kann die durch die Arm-Einheit 50 ausgeübte Schwerkraft-Last, wie oben erwähnt, an dem ersten Lagerungs-Punkt 33 effizient aufgenommen werden, da der zweite Lagerungs-Punkt 34 und der dritte Lagerungs-Punkt 35 aufgrund des ersten Lagerungs-Punktes 33 im Wesentlichen entlang der z-Achse fluchtend angeordnet sind. Dabei ist, wie oben erwähnt, die erste Verbindungsglied-Einheit 31 in einer Form (d. h., wie ein liegendes V oder geknickt) ausgebildet, die ungleichmäßig zur Seite des dritten Lagerungs-Punktes 35 hin gebogen ist. Daher kommen, wenn der Verbindungs-Punkt 31e der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 von dem in (a) von 10 gezeigten Zustand zu dem in (b) von 10 gezeigten Zustand verschoben wird, die erste gerade Linie, die Verbindung zwischen dem ersten Lagerungs-Punkt 33 und dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 herstellt und die zweite gerade Linie, die Verbindung zwischen dem zweiten Lagerungs-Punkt 34 und dem dritten Lagerungs-Punkt 35 herstellt, aufgrund der gebogenen Form der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 leichter in Fluchtung miteinander. Bei dem Verbindungs-Mechanismus 30 lässt sich, wenn sich die Arm-Einheit 50 in der horizontalen angehobenen Position befindet, der Effekt aufgrund der Aufnahme der Schwerkraft-Last durch den ersten Lagerungs-Punkt 33 leicht erzielen, da die erste gerade Linie und die zweite gerade Linie einen Zustand einnehmen, in dem sie näher an Fluchtung miteinander sind. Dementsprechend muss die oben erwähnte gebogene Form der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 lediglich unter Berücksichtigung der Aufnahme der Schwerkraft-Last durch diesen ersten Lagerungs-Punkt 33 ausgeführt werden.
-
Des Weiteren wird die oben erwähnte gebogene Form der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 vorzugsweise so festgelegt, dass der Drehantrieb der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 von dem Zustand ausgehend leicht ausgeführt werden kann, in dem die erste gerade Linie und die zweite gerade Linie miteinander in Fluchtung gekommen sind. Wenn die erste gerade Linie und die zweite gerade Linie in Fluchtung miteinander gekommen sind, wird es, wenn sich die gerade Linie, die Verbindung zwischen dem Verbindungs-Punkt 31e und dem ersten Lagerungs-Punkt 33 herstellt, auf einer Verlängerung der ersten geraden Linie befindet, usw. schwer, ein Rückstell-Drehmoment auf die erste Verbindungsglied-Einheit 31 beim Zurückstellen von dem in (b) von 10 dargestellten Zustand auf den in (a) von 10 dargestellten Zustand auszuüben. Dementsprechend wird die gebogene Form der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 vorzugsweise so festgelegt, dass der Drehantrieb der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 leicht ausgeführt werden kann.
-
Dabei ist anzumerken, dass wie oben erwähnt, in der vorliegenden Ausführungsform ein Kreuzrollenring als das Lagerungs-Element 28 für die Drehlagerung der Arm-Einheit 50 eingesetzt werden kann. Der Kreuzrollenring ist ein Lagerungs-Element, das Lasten aus vielen Richtungen aufnehmen kann. Daher eignet sich die Funktion eines Kreuzrollenlagers zur Aufnahme von Lasten in Bezug auf die Arm-Einheit 50, und daher kann die Steifigkeit, die für das Antriebsglied 24 erforderlich ist, das dazu dient, die Nick-Drehung der Arm-Einheit 50 zu steuern, verringert werden, und auch dadurch lässt sich die Verringerung der Größe des Antriebsgliedes 24 erreichen.
-
Bezugszeichenliste
-
Bei der oben dargestellten Ausführungsform sind, um eine Drückkraft in der Drehrichtung zum Anheben (nach oben) auf die Arm-Einheit 50 auszuüben, die Federn 19 zwischen dem hinteren Brustbein-Teil 14d und der Platte 51 angeordnet, anstelle einer derartigen Anordnung können die Federn 19 jedoch zwischen der ersten Verbindungsglied-Einheit 31 oder der zweiten Verbindungsglied-Einheit 32, die zusammen den Verbindungs-Mechanismus 30 bilden, und der Skelettstruktur der oberen Körperhälfte des Roboters 10 angeordnet sein. Jedoch können, wie in 10 gezeigt, die beiden Verbindungsglied-Einheiten ihre Zustände in dem Drehantriebs-Bereich der Arm-Einheit 50 erheblich ändern, und daher ist es beim Verbinden der Federn 90 erforderlich, sie mit den Verbindungsglied-Einheiten an Positionen zu verbinden, an denen die Federn 19 keine der beiden Verbindungsglied-Einheiten behindern.
- 10...
- Roboter,
- 14...
- Rückgrat-Teil,
- 14a...
- vorderer Schlüsselbein-Teil,
- 14b...
- hinterer Schlüsselbein-Teil,
- 14c...
- vorderer Brustbein-Teil,
- 14d...
- hinterer Brustbein-Teil,
- 15...
- Hüftknochen-Teil,
- 19...
- Federn,
- 20...
- Antriebs-Einheiten,
- 21...
- äußere Trägerplatte,
- 22...
- innere Trägerplatte,
- 24, 25...
- Antriebsglieder,
- 28...
- Lagerungs-Element,
- 30...
- Verbindungs-Mechanismus,
- 31...
- erste Verbindungsglied-Einheit,
- 31a...
- Wandabschnitte,
- 31b...
- Brücke
- 31c...
- Trägerabschnitt,
- 31d...
- hinterer Endabschnitt,
- 31e...
- Verbindungs-Punkt,
- 32...
- zweite Verbindungsglied-Einheit,
- 33...
- erster Lagerungs-Punkt,
- 34...
- zweiter Lagerungs-Punkt,
- 35...
- dritter Lagerungs-Punkt,
- 50...
- Arm-Einheit,
- 51...
- Platte
