JP2005230949A - Multi-degree-of-freedom joint driving mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットアーム等の機械装置の関節機構に応用可能な多自由度関節駆動機構に関する。 The present invention relates to a multi-degree-of-freedom joint drive mechanism applicable to a joint mechanism of a mechanical device such as a robot arm.
ロボットアームにより複雑な作業を実現するためには、手先の位置・姿勢6次元の制御が可能な6自由度以上の多関節ロボットが必要とされる。多関節アームを実現しようとする場合、関節構造をどのような構造にするのか、関節をどのように駆動するかが課題となる。関節構造としては、制御性能やコスト等の点から、小型・軽量であることが必要とされ、一カ所で複数の自由度が実現できる多自由度関節が種々開発されている。こうした多自由度関節の従来技術としては、特許文献1において、曲げ駆動軸と回転軸間に曲げ軸用のユニバーサルジョイントを設け、ひねり駆動軸と回転軸間にひねり軸用のユニバーサルジョイントを設ける構成を開示している(例えば、特許文献1参照。)。
In order to realize complicated work by the robot arm, an articulated robot having 6 degrees of freedom or more capable of 6-dimensional control of the hand position / posture is required. When trying to realize a multi-joint arm, the problem is how to make the joint structure and how to drive the joint. The joint structure is required to be small and light in terms of control performance, cost, and the like, and various multi-degree-of-freedom joints that can realize a plurality of degrees of freedom at one place have been developed. As a conventional technique of such a multi-degree-of-freedom joint, in
しかしながら、上記特許文献1の構成では、手首の小型、簡易及び軽量化を目的としているが、傾斜面を有する回転軸や、複数の巻き掛け伝動部材等の多くの構成部材から構成されるため、小型・軽量化には限度がある。
However, in the configuration of
本発明の目的は、上記従来の関節機構の課題を解決し、部品点数が少なく、小型・軽量化可能な多自由度関節駆動機構を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems of the conventional joint mechanism and to provide a multi-degree-of-freedom joint drive mechanism that has a small number of parts and can be reduced in size and weight.
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の1つの態様によれば、第1構造体と、
上記第1構造体に配設された第1回転関節と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第2自在継手と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記第2自在継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
According to one aspect of the present invention, a first structure;
A first rotary joint disposed in the first structure;
A second structure that is rotatably connected to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure that is rotatably connected to the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first drive device for causing
A first universal joint connected to the third structure;
A direct acting joint connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A second universal joint that is connected to the linear motion joint so as not to rotate relative thereto;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second universal joint so that the second rotary joint is driven to make the second structure and the third structure relative to each other. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device that is rotated in an automatic manner.
本発明の別の態様によれば、第1構造体と、
上記第1構造体に配設された第1回転関節と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された第2自在継手と、
上記第2自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
According to another aspect of the present invention, a first structure;
A first rotary joint disposed in the first structure;
A second structure that is rotatably connected to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure that is rotatably connected to the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first drive device for causing
A first universal joint connected to the third structure;
A second universal joint connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A direct acting joint connected to the second universal joint so as not to rotate relative to the second universal joint;
One end is connected to the first structure, and the other end is connected to the linear joint, thereby driving the second rotary joint to relatively connect the second structure and the third structure. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device that is pivoted to the right is provided.
本発明によれば、第2回転関節回りの回転運動を駆動するために第2構造体にアクチュエータを配設する構造ではないため、関節駆動機構の構造を小型・軽量にすることができる。また、多自由度関節駆動機構をロボットアームに応用する場合に、第1構造体をアームの根元に近い側のリンク、第3構造体をアームの先端に近い側のリンクとすることにより、重量物であるアクチュエータがアームの根元に近い側に配設されることになり、アームの動特性が改善され、制御性能の高いロボットアームとすることができる。 According to the present invention, the structure of the joint drive mechanism can be reduced in size and weight because the actuator is not provided in the second structure to drive the rotational motion around the second rotary joint. Further, when the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism is applied to a robot arm, the first structure is a link closer to the base of the arm, and the third structure is a link closer to the tip of the arm. The actuator which is a thing will be arrange | positioned at the side close | similar to the base of an arm, the dynamic characteristic of an arm will be improved, and it can be set as a robot arm with high control performance.
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。 Before describing embodiments of the present invention in detail based on the drawings, various aspects of the present invention will be described below.
本発明の第1態様によれば、第1構造体と、
上記第1構造体に配設された第1回転関節と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第2自在継手と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記第2自在継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
According to the first aspect of the present invention, the first structure,
A first rotary joint disposed in the first structure;
A second structure that is rotatably connected to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure that is rotatably connected to the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first drive device for causing
A first universal joint connected to the third structure;
A direct acting joint connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A second universal joint that is connected to the linear motion joint so as not to rotate relative thereto;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second universal joint so that the second rotary joint is driven to make the second structure and the third structure relative to each other. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device that is rotated in an automatic manner.
本発明の第2態様によれば、第1構造体と、
上記第1構造体に配設された第1回転関節と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された第2自在継手と、
上記第2自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
According to a second aspect of the present invention, a first structure,
A first rotary joint disposed in the first structure;
A second structure that is rotatably connected to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure that is rotatably connected to the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first drive device for causing
A first universal joint connected to the third structure;
A second universal joint connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A direct acting joint connected to the second universal joint so as not to rotate relative to the second universal joint;
One end is connected to the first structure, and the other end is connected to the linear joint, thereby driving the second rotary joint to relatively connect the second structure and the third structure. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device that is pivoted to the right is provided.
本発明の第3態様によれば、上記第1駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする第1又は2態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism according to the first or second aspect, wherein the first drive device is a linear motion actuator.
本発明の第4態様によれば、上記第2駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする第1又は2態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism according to the first or second aspect, wherein the second drive device is a linear motion actuator.
本発明の第5態様によれば、上記第1自在継手又は上記直動継手又は上記第2自在継手のうち少なくとも1つが上記第2構造体内に配設されたことを特徴とする第1又は2態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。 According to the fifth aspect of the present invention, at least one of the first universal joint, the direct acting joint, or the second universal joint is disposed in the second structure. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism according to an aspect is provided.
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1A及び図1Bは本発明の第1実施形態にかかる多自由度関節の構造を示す全体図である。また、図2A及び図2B及び図2Cは本発明の第1実施形態にかかる多自由度関節の構造を示す断面図及び斜視図である。図2Aは図1A中に記したA−A線断面を示している。図2Bは図2Aの部分拡大断面図であり、図2Cは第1自在継手14と直動関節15の斜視図である。図1A及び図1B及び図2Aにおいて、1は下端にL字状に屈曲した二股部1aを有するロッド状の第1構造体、2は図1A及び図1Bの右側半分以上が二股部2aとなったコの字ブロック状第2構造体、3は図1A及び図1Bの右端が第2構造体2内に回転自在に挿入されているロッド状第3構造体である。第1構造体1と第2構造体2は、ベアリング4−1、4−2で構成される第1回転関節5により接続されており、互いに回転可能である。すなわち、第2構造体2の二股部2a内に第1構造体1の二股部1aが配置され、第1構造体1の二股部1aの貫通穴1b,1bにそれぞれ設けられたベアリング4−1、4−2に回転自在に支持される連結ピン2Aが、第2構造体2の二股部2aの貫通穴2b,2bにそれぞれ固定されて、連結ピン2Aの中心軸である第1回転関節5の回転軸5C回りに第1構造体1と第2構造体2がベアリング4−1、4−2で互いに回転可能となっている。
(First embodiment)
1A and 1B are general views showing the structure of a multi-degree-of-freedom joint according to the first embodiment of the present invention. 2A, 2B, and 2C are a cross-sectional view and a perspective view showing the structure of the multi-degree-of-freedom joint according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A shows a cross section taken along line AA in FIG. 1A. 2B is a partially enlarged cross-sectional view of FIG. 2A, and FIG. 2C is a perspective view of the first
第2構造体2と第3構造体3は、ベアリング6−1、6−2で構成される第2回転関節7により接続されており、互いに回動可能である。すなわち、第2構造体2の二股部2a以外の左側の貫通穴にベアリング6−1、6−2を設け、第3構造体3の右端が第2構造体2内に挿入されてベアリング6−1、6−2に支持されて、第3構造体3が第2構造体2に対して第2回転関節7の回転軸7C回りに回転自在に支持されている。また、第1回転関節5の回転軸5Cと第2回転関節7の回転軸7Cは略直交している。
The
8は、第1駆動装置の一例であり、例えば空気圧人工筋等の4本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2、8−3、8−4で構成される第1直動アクチュエータ群であり、第2構造体2の二股部2aにそれぞれの基端部が固定された回転ジョイント9−1、9−2、9−3、9−4の回動端に4本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2、8−3、8−4の下端部がそれぞれ回転自在に連結されることにより、4本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2、8−3、8−4が第1構造体1と第2構造体2に接続され、第1構造体1と第2構造体2の第1回転関節5における正逆回転運動を駆動する。すなわち、第2構造体2の二股部2aの先端の貫通穴2c,2cにロッド状の回転ジョイント9−3、9−4の基端部が固定され、当該ジョイント9−3、9−4の先端部に第1直動アクチュエータ8−3、8−4の下端部が回転自在に連結されている。同様に、第2構造体2の二股部2aの基端部の貫通穴2c,2cにロッド状のジョイント9−1、9−2の基端部が固定され、当該ジョイント9−1、9−2の先端部に第1直動アクチュエータ8−1、8−2の下端部が回転自在に連結されている。ジョイント9−3、9−4とジョイント9−1、9−2とは、第1回転関節5の回転軸5Cに対して対称に配置されている結果、第1直動アクチュエータ8−1、8−2の下端部が同期して大略同一距離だけ上昇しかつ第1直動アクチュエータ8−3、8−4の下端部が同期して大略同一距離だけ下降すると、第2構造体2は第1回転関節5の回転軸5C回りに時計回りに回動する。一方、逆に、第1直動アクチュエータ8−1、8−2の下端部が同期して大略同一距離だけ下降しかつ第1直動アクチュエータ8−3、8−4の下端部が同期して大略同一距離だけ上昇すると、第2構造体2は第1回転関節5の回転軸5C回りに反時計回りに回動する。
Reference numeral 8 is an example of a first drive device, for example, a first linear actuator comprising four first linear actuators 8-1, 8-2, 8-3, 8-4 such as pneumatic artificial muscles. The four first members at the rotating ends of the rotary joints 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, each of which is a group and has a base end portion fixed to the
10は、第2駆動装置の一例であり、例えば空気圧人工筋やモータやシリンダ等の2本の第2直動アクチュエータ10−1、10−2(図1Aでは重なって図示されているが、手前側の第2直動アクチュエータを10−1、奥側の第2直動アクチュエータを10−2とする。)で構成される第2直動アクチュエータ群であり、第2直動アクチュエータ10−1、10−2の下端にそれぞれの端部が固定されたワイヤー11をプーリー12に掛け回して接続されて、プーリー12の正逆回転運動を駆動する。プーリー12はベアリング13により第1構造体1に対して相対的な回転運動が可能な状態で固定されている。よって、手前側の第2直動アクチュエータ10−1の下端が上昇しかつ奥側の第2直動アクチュエータ10−2の下端が下降すると、奥側の第2直動アクチュエータ10−2の下端から手前側の第2直動アクチュエータ10−1の下端に向けてワイヤー11が移動して、プーリー12が図1Aでは下から上向きに回転する。一方、手前側の第2直動アクチュエータ10−1の下端が下降しかつ奥側の第2直動アクチュエータ10−2の下端が上昇すると、手前側の第2直動アクチュエータ10−1の下端から奥側の第2直動アクチュエータ10−2の下端に向けてワイヤー11が移動して、プーリー12が図1Aでは上から下向きに回転する。
10 is an example of a second drive device. For example, two second linear actuators 10-1 and 10-2 (pneumatic artificial muscles, motors, cylinders, and the like) are overlapped in FIG. 1A. A second linear actuator 10-1 and a second linear actuator 10-2 on the back side), and a second linear actuator group 10-1.
また、第3構造体3は、第1自在継手14を介して直動関節15と相対回転不可にかつ屈曲自在に接続され、第1自在継手14は直動関節15を介し第2自在継手16と相対回転不可にかつ伸縮自在に接続されている。さらに、直動関節15は、第2自在継手16を介してプーリー12と相対回転不可にかつ屈曲自在に接続されている。したがって、回転軸5C回りの回転運動は、第1自在継手14の屈曲自在の特性、直動関節15の伸縮自在の特性、及び、第2自在継手16の屈曲自在の特性により吸収され、かつ、第1自在継手14、直動関節15、及び、第2自在継手16がそれぞれ相対回転不可であるため、回転軸5C回りの回転運動に関係なく、プーリー12の回転運動が第3構造体3に伝達される。
Further, the
すなわち、第2直動アクチュエータ群10の2本の第2直動アクチュエータ10−1、10−2により駆動されるプーリー12の正逆回転運動は、第2自在継手16、直動関節15、第1自在継手14により、第2構造体2と第3構造体3の第2回転関節7における正逆回転運動へと伝動される。
That is, the forward / reverse rotational motion of the
以下に、第2自在継手16、直動関節15、第1自在継手14などの構造について詳述する。
Hereinafter, the structures of the second
第1自在継手14と第2自在継手16は同一構造の一般的な十字継手であり、第1接続部材101と第2接続部材102と回転ピン103a、103b、103c、103d(103aは103bの手前に位置するため図示せず)と回転ピン保持部材104により構成される。回転ピン103aと回転ピン103bは同一軸上に配置されるように回転ピン保持部材104に固定されて第1回転軸105を形成している。また、回転ピン103cと回転ピン103dは同一軸上に配置されるように回転ピン保持部材104に固定されて第2回転軸106を形成している。第1回転軸105と第2回転軸106は直交しており、第1接続部材101は、その対向する一対の突出連結部101bの嵌合穴101cに回転ピン103aと回転ピン103bとがそれぞれ相対的に回転可能に嵌合されて、第1回転軸105回りに回動自在に配設されている。また、第2接続部材102は、その対向する一対の突出連結部102bの嵌合穴102cに回転ピン103cと回転ピン103dとがそれぞれ相対回転可能に嵌合されて、第2回転軸106回りに回動自在に配設されている。したがって、第1回転軸105及び第2回転軸106により、第1接続部材101と第2接続部材102は、第1接続部材101と第2接続部材102の長手軸回りに相対的に回転不可かつ屈曲自在に接続された構造となっている。
The first
直動関節15は、両端部がそれぞれU字形状となるように両端部に切欠溝107aが形成された連結部材107より構成され、かつ、この連結部材107の両端部が、第1自在継手14の第2接続部材102の穴部102a及び第2自在継手16の第1接続部材101の穴部101aにそれぞれ挿入された構造として実現されている。
The linear motion joint 15 is composed of a connecting
第1自在継手14と直動関節15は、第1自在継手14の第2接続部材102の対向する一対の貫通穴部102dを貫通するように配設された固定ピン109を、連結部材107の一方の端部の切欠溝107aが挟み込むように配設されることにより、回転不可にかつ軸方向に許容範囲内で摺動自在に連結されている。また、第2自在継手16と直動関節15は、第2自在継手16の第1接続部材101の対向する一対の貫通穴部101dを貫通するように配設された固定ピン110を、連結部材107の他方の端部の切欠溝107aが挟み込むように配設されることにより、回転不可にかつ軸方向に許容範囲内で摺動自在に連結されている。この結果、連結部材107の2つの切欠溝107aには、それぞれの接続部材102,101に固定された固定ピン109、110が挿入されて連結部材107のそれぞれの端部に挟み込むように位置することになるため、連結部材107は、第1自在継手14の第2接続部材102及び第2自在継手16の第1接続部材101それぞれに対して、長手軸方向には伸縮自在かつ連結部材107の長手軸回りには相対的に回転不可となっている。
The first
第3構造体3と第1自在継手14は、図2A及び図2Bにおける第3構造体3の右端の小径部3aが第1自在継手14の接続部材101の穴部101aに挿入され、第3構造体3の右端の小径部3aと第1自在継手14の第1接続部材101に共通に開けられた貫通穴部101dなどに固定ピン111を通して固定することにより相対的に回転不可に連結されている。
In the
一方、プーリー12の軸12aと第2自在継手16は、図2A及び図2Bにおけるプーリー12の軸12aの左端の小径部12bが第2自在継手16の第2接続部材102の穴部102aに挿入され、プーリー12の軸12aの左端の小径部12bと第2自在継手16の第2接続部材102に共通に開けられた貫通穴部102dなどに固定ピン112を通して固定することにより相対的に回転不可に連結されている。
On the other hand, in the
各アクチュエータを構成する空気圧人工筋は、図4に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体17の外表面に繊維コードで構成された拘束部材18が配設され、管状弾性体17の両端部を封止部材19でそれぞれ気密封止する構造となっている。流体注入出部材20を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体17内に供給することにより内圧を管状弾性体17の内部空間に与えると、管状弾性体17が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材18の作用により、管状弾性体17の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。この空気圧人工筋は主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。
As shown in FIG. 4, the pneumatic artificial muscle constituting each actuator is provided with a restraining
図5は空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図5において、21は例えばコンプレッサー等の空気圧源、22は空気圧フィルタ22a、空気圧減圧弁22b、及び空気圧用ルブリケータ22cが1組になった空気圧調整ユニットである。23は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する5ポート流量制御電磁弁である。24は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、D/Aボード24aが搭載されており、5ポート流量制御電磁弁23に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材20を流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an air pressure supply drive system for driving the pneumatic artificial muscle. In FIG. 5, 21 is an air pressure source such as a compressor, and 22 is an air pressure adjusting unit in which an
図5に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源21により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット22により減圧され、例えば600kPaといった一定圧力に調整され、5ポート流量制御電磁弁23に供給される。5ポート流量制御電磁弁23の開度は、制御コンピュータ24よりD/Aボード24aを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。5ポート流量制御電磁弁23には、一対の空気圧人工筋201−3a,201−3bの管状弾性体17の流体注入出部材20がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋201−3a,201−3bは支持棒203沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体17の流体注入出部材20側の端部が、支持棒203の端部に固定された支持板202に固定されている。一対の空気圧人工筋201−3a,201−3bの管状弾性体17の他方の端部側には、支持棒203に回転関節軸200で回転自在に支持されたT字状の回動部材204が支持され、この回動部材204に一対の空気圧人工筋201−3a,201−3bの管状弾性体17の他方の端部が回転自在に支持されている。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋201−3a,201−3bのそれぞれの管状弾性体17が伸縮することにより、回動部材204が回転関節軸200回りに正逆回転駆動される。
According to the air pressure supply drive system shown in FIG. 5, the high-pressure air generated by the
制御コンピュータ24より正の電圧指令値がD/Aボード24aから5ポート流量制御電磁弁23に入力された場合には、図5に示すように空気圧回路記号のAで示した状態になり、空気圧源21側から空気圧人工筋201−3aの管状弾性体17の流体注入出部材20側への流路が5ポート流量制御電磁弁23を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋側に供給される。また、空気圧人工筋201−3b側は、管状弾性体17の流体注入出部材20から大気圧側への流路が5ポート流量制御電磁弁23を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋201−3b側から大気中へ排気される。したがって、図5に示すように、空気圧人工筋201−3aの全長が縮み、空気圧人工筋201−3bの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸200は矢印で示されるように右回転運動を行う。
When a positive voltage command value is input from the D /
一方、制御コンピュータ24より負の電圧指令値がD/Aボード24aから5ポート流量制御電磁弁23に入力された場合には、5ポート流量制御電磁弁23が切り替えられて、空気圧回路記号のBで示した状態になり、空気圧人工筋201−3aの動作は逆となり、関節軸200は左回転運動を行う。すなわち、空気圧源21側から空気圧人工筋201−3bの管状弾性体17の流体注入出部材20側への流路が5ポート流量制御電磁弁23を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋側に供給される。また、空気圧人工筋201−3a側は、管状弾性体17の流体注入出部材20から大気圧側への流路が5ポート流量制御電磁弁23を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋201−3a側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋201−3bの全長が縮み、空気圧人工筋201−3aの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸200は矢印とは逆方向で示される左回転運動を行う。
On the other hand, when a negative voltage command value is input from the D /
以上の構成の2自由度関節駆動機構の動作について説明する。 The operation of the two-degree-of-freedom joint drive mechanism having the above configuration will be described.
図3A,図3Bは本発明の第1実施形態における多自由度関節駆動機構の動作をそれぞれ示す図である。図3A,図3Bにおいては主要な構成要素のみ記し、他の部分は省略している。 3A and 3B are diagrams respectively showing the operation of the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism in the first embodiment of the present invention. In FIG. 3A and FIG. 3B, only the main components are shown, and other parts are omitted.
上記したように、第1直動アクチュエータ群8の4本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2、8−3、8−4は、図1Aの左側の2本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2と図1Aの右側の別の2本の第1直動アクチュエータ8−3、8−4が第1構造体1を挟んで第1回転関節5に関して対向するように回転ジョイント9−1、9−2、9−3、9−4により第2構造体2に接続されている。したがって、図1Aの左側の2本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2が収縮し、図1Aの右側の別の2本の第1第1直動アクチュエータ8−3、8−4が伸張すれば、図3Bに示されるように、第1回転関節5の回転軸5C回りの時計方向の回転運動が発生する。逆に、図1Aの左側の2本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2が伸張し、図1Aの右側の別の2本の第1直動アクチュエータ8−3、8−4が収縮すれば、回転運動は逆回転すなわち反時計方向の回転となる。
As described above, the four first linear actuators 8-1, 8-2, 8-3, and 8-4 of the first linear actuator group 8 are the two first linear actuators on the left side of FIG. 1A. The actuators 8-1 and 8-2 and the other two first linear actuators 8-3 and 8-4 on the right side in FIG. 1A are opposed to each other with respect to the first rotary joint 5 with the
以上のように、第1直動アクチュエータ群8の4本の第1直動アクチュエータ8−1、8−2、8−3、8−4により、第1構造体1と第2構造体2の正逆回転運動が駆動されることにより、第1構造体1と第3構造体3の揺動運動すなわち角度θの運動が駆動される。この角度θは例えば±60度の範囲内で駆動するのが好ましい。
As described above, the four first linear actuators 8-1, 8-2, 8-3, and 8-4 of the first linear actuator group 8 are used for the
上記したように、第2直動アクチュエータ群10は、第2直動アクチュエータ10−1と第2直動アクチュエータ10−2がワイヤー11を介し対向するように配設されている。ワイヤー11はプーリー12に掛けられ、第2直動アクチュエータ10−1が収縮し、第2直動アクチュエータ10−2が伸張することにより、プーリー12が回転する。逆に、第2直動アクチュエータ10−1が伸張し、第2直動アクチュエータ10−2が収縮することにより、プーリー12は逆回転する。
As described above, the second
ここで、本発明の第1実施形態の特徴は、第3構造体3が、第1自在継手14、直動関節15、第2自在継手16によりプーリー12に接続され、第2直動アクチュエータ群10の第2直動アクチュエータ10−1、10−2により、第2構造体2に対する第3構造体3の第2回転関節7の回転軸7C回りの回転運動φが駆動される点にある。第1自在継手14、直動関節15、第2自在継手16により接続されることにより、第1回転関節5の回転軸5C回りの回転運動による角度θの変化に関わらず、第1構造体1に姿勢が固定された第2直動アクチュエータ群10の第2直動アクチュエータ10−1、10−2により、第2回転関節7の回転軸7C回りの回転運動φが駆動可能となる。すなわち、第2回転関節7の回転軸7C回りの回転運動φを駆動するために第2構造体2にアクチュエータを配設する構造ではないため、関節構造を小型・軽量にすることができる。
Here, the first embodiment of the present invention is characterized in that the
また、図6は本2自由度関節駆動機構をロボットアームに応用した場合の例である。図6に示すロボットアームは、第1関節27、第2関節28、第3関節29、第4関節30、第5関節31を有する5自由度アームであり、第2関節28及び第3関節29部分が本発明の第1実施形態の多自由度関節駆動機構となっている。このようなロボットアーム構造によれば、第1構造体1をアームの根元に近い側のリンク、第3構造体3をアームの先端に近い側のリンクとすることにより、重量物であるアクチュエータがアームの根元に近い側に配設されることになり、アームの動特性が改善され、制御性能の高いロボットアームとすることができる。
FIG. 6 shows an example in which the two-degree-of-freedom joint drive mechanism is applied to a robot arm. The robot arm shown in FIG. 6 is a five-degree-of-freedom arm having a first joint 27, a second joint 28, a third joint 29, a fourth joint 30, and a fifth joint 31, and the second joint 28 and the third joint 29. The portion is the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism of the first embodiment of the present invention. According to such a robot arm structure, the
また、本発明の第1実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、第1自在継手14、直動関節15、第2自在継手16が第2構造体2の内側に配設された構造となっているため、可動機構部分が外側に露出することなく、安全性の高い構造となっている。
In addition, according to the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism of the first embodiment of the present invention, the first
また、本発明の第1実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、動力伝達機構として歯車ではなく、第1自在継手14、直動関節15、第2自在継手16といった耐衝撃性の強い剛結合的機構により駆動されるため、空気圧人工筋や空気圧シリンダ等の柔軟なアクチュエータと併用することにより、柔軟で耐衝撃性の強い構造を容易に構成することができる。
Further, according to the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism of the first embodiment of the present invention, the power transmission mechanism is not a gear but a strong impact resistance such as the first
また、本発明の第1実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、動力伝達機構として摩擦の大きい歯車ではなく、ベアリング13,4−1、4−2により保持された第1自在継手14、直動関節15、第2自在継手16といった摩擦の小さい機構により駆動されるため、空気圧シリンダのような摺動摩擦が存在しない低摩擦な空気圧人工筋と併用することにより、駆動摩擦が少なく制御性の良い多自由度関節駆動機構とすることができる。
In addition, according to the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism of the first embodiment of the present invention, the first universal joint 14 held by the
(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態における多自由度関節駆動機構の構造を示す断面図である。図7の多自由度関節駆動機構は、図2Aに示した第1実施形態と比べ、自在継手と直動関節15の接続の順序が異なる。第2実施形態では、第3構造体3に第1自在継手14が接続され、第1自在継手14に第2自在継手16が接続され、第2自在継手16が直動関節15に接続される構成となっている。他の構成は第1実施形態の場合と同様であるので説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of the multi-degree-of-freedom joint drive mechanism in the second embodiment of the present invention. The multi-degree-of-freedom joint drive mechanism in FIG. 7 differs from the first embodiment shown in FIG. 2A in the order of connection between the universal joint and the linear motion joint 15. In the second embodiment, the first
以上の構成の場合でも、第1回転関節5の角度変化による第2回転関節7の回転軸7Cの揺動角度θの変化を第1自在継手14及び第2自在継手16が吸収し、揺動角度θの変化に伴う第2自在継手16とプーリー12間の距離の変化を直動関節15が吸収するため、同様の効果を発揮する。
Even in the case of the above configuration, the first
なお、上記の実施形態では、直動アクチュエータを空気圧人工筋としたが、これに限られるわけではなく、空圧シリンダ、油圧シリンダや電動リニアアクチュエータ等、その他の直動アクチュエータでも同様の効果を発揮する。 In the above-described embodiment, the linear motion actuator is a pneumatic artificial muscle. However, the present invention is not limited to this, and other linear motion actuators such as a pneumatic cylinder, a hydraulic cylinder, and an electric linear actuator also exhibit the same effect. To do.
また、上記の実施形態では、第2直動アクチュエータ群10により、ワイヤー11とプーリー12を介し第1自在継手14を駆動する構成としたが、これに限られるわけではなく、第1アクチュエータ群8と同様にリンク−ジョイント機構により駆動する構成でも同様の効果を発揮する。
In the above embodiment, the first
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.
本発明の多自由度関節駆動機構は、多関節ロボットアームの関節駆動機構として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における回転機構のための関節駆動機構等、機械装置の関節駆動機構として適用が可能である。 The multi-degree-of-freedom joint drive mechanism of the present invention is useful as a joint drive mechanism of a multi-joint robot arm. Further, the present invention is not limited to a robot arm, and can be applied as a joint drive mechanism of a mechanical device such as a joint drive mechanism for a rotation mechanism in a production facility or the like.
1 第1構造体
1a 二股部
1b 貫通穴
2 第2構造体
2A 連結ピン
2a 二股部
2b 貫通穴
3 第3構造体
4−1、4−2 ベアリング
5 第1回転関節
5C 第1回転関節の回転軸
6−1、6−2 ベアリング
7 第2回転関節
7C 第2回転関節の回転軸
8 第1直動アクチュエータ群
8−1、8−2、8−3、8−4 第1直動アクチュエータ
9−1、9−2、9−3、9−4 ジョイント
10 第2直動アクチュエータ群
10−1、10−2 第2直動アクチュエータ
11 ワイヤー
12 プーリー
12a 軸
12b 小径部
13 ベアリング
14 第1自在継手
15 直動関節
16 第2自在継手
17 管状弾性体
18 拘束部材
19 封止部材
20 流体注入出部材
21 空気圧源
22 空気圧調整ユニット
22a 空気圧フィルタ
22b 空気圧減圧弁
22c 空気圧用ルブリケータ
23 5ポート流量制御電磁弁
24 制御コンピュータ
24a D/Aボード
27 第1関節
28 第2関節
29 第3関節
30 第4関節
31 第5関節
101 第1接続部材
101a 穴
101b 突出連結部
101c 嵌合穴
101d 貫通穴部
102 第2接続部材
102a 穴
102b 突出連結部
102c 嵌合穴
102d 貫通穴部
103a,103b,103c,103d 回転ピン
104 回転ピン保持部材
105 第1回転軸
106 第2回転軸
107 連結部材
107a 切欠溝
109、110、111、112 固定ピン
200 関節軸
201−3a, 201−3b 空気圧人工筋
202 支持板
203 支持棒
204 回動部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st structure 1a Bifurcated part 1b Through-hole 2 2nd structure 2A Connection pin 2a Bifurcated part 2b Through-hole 3 3rd structure 4-1, 4-2 Bearing 5 1st rotation joint 5C 1st rotation joint rotation Axis 6-1, 6-2 Bearing 7 Second rotary joint 7C Rotary axis of second rotary joint 8 First linear actuator group 8-1, 8-2, 8-3, 8-4 First linear actuator 9 -1, 9-2, 9-3, 9-4 Joint 10 Second linear actuator group 10-1, 10-2 Second linear actuator 11 Wire 12 Pulley 12a Shaft 12b Small diameter portion 13 Bearing 14 First universal joint DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Linear motion joint 16 2nd universal joint 17 Tubular elastic body 18 Restraint member 19 Sealing member 20 Fluid injection member 21 Air pressure source 22 Air pressure adjustment unit 22a Air pressure filter 22b Air Pressure reducing valve 22c Pneumatic lubricator 23 5-port flow control solenoid valve 24 Control computer 24a D / A board 27 First joint 28 Second joint 29 Third joint 30 Fourth joint 31 Fifth joint 101 First connecting member 101a Hole 101b Projection Connecting portion 101c Fitting hole 101d Through-hole portion 102 Second connecting member 102a Hole 102b Protruding connecting portion 102c Fitting hole 102d Through-hole portion 103a, 103b, 103c, 103d Rotating pin 104 Rotating pin holding member 105 First rotating shaft 106 First Two rotating shafts 107 Connecting member 107a Notch groove 109, 110, 111, 112 Fixing pin 200 Joint shaft 201-3a, 201-3b Pneumatic artificial muscle 202 Support plate 203 Support rod 204 Rotating member
Claims (5)
上記第1構造体に配設された第1回転関節(5)と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体(2)と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節(7)と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体(3)と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置(8−1、8−2、8−3、8−4)と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手(14)と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された直動継手(15)と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第2自在継手(16)と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記第2自在継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置(10−1、10−2)とを有する多自由度関節駆動機構。 A first structure (1);
A first rotary joint (5) disposed in the first structure;
A second structure (2) connected rotatably with respect to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint (7) disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure (3) connected rotatably with the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first driving device (8-1, 8-2, 8-3, 8-4)
A first universal joint (14) connected to the third structure;
A direct acting joint (15) connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A second universal joint (16) connected to the linear motion joint so as not to rotate relative thereto;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second universal joint so that the second rotary joint is driven to make the second structure and the third structure relative to each other. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device (10-1, 10-2) that is rotated in an automatic manner.
上記第1構造体に配設された第1回転関節(5)と、
上記第1回転関節により上記第1構造体と相対的に回動可能に接続された第2構造体(2)と、
上記第2構造体に配設され、上記第1回転関節と回転軸が略直交する第2回転関節(7)と、
上記第2回転関節により上記第2構造体と相対的に回動可能に接続された第3構造体(3)と、
一端が上記第1構造体に接続されかつ他端が上記第2構造体に接続され、上記第1回転関節を駆動して上記第1構造体と上記第2構造体とを相対的に回動させる第1駆動装置(8−1、8−2、8−3、8−4)と、
上記第3構造体に接続された第1自在継手(14)と、
上記第1自在継手と相対回転不可に接続された第2自在継手(16)と、
上記第2自在継手と相対回転不可に接続された直動継手(15)と、
一端が上記第1構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第2回転関節を駆動して上記第2構造体と上記第3構造体とを相対的に回動させる第2駆動装置(10−1、10−2)とを有する多自由度関節駆動機構。 A first structure (1);
A first rotary joint (5) disposed in the first structure;
A second structure (2) connected rotatably with respect to the first structure by the first rotary joint;
A second rotary joint (7) disposed in the second structure, the first rotary joint and a rotation axis being substantially orthogonal;
A third structure (3) connected rotatably with the second structure by the second rotary joint;
One end is connected to the first structure and the other end is connected to the second structure. The first rotary joint is driven to relatively rotate the first structure and the second structure. A first driving device (8-1, 8-2, 8-3, 8-4)
A first universal joint (14) connected to the third structure;
A second universal joint (16) connected to the first universal joint so as not to rotate relative to the first universal joint;
A direct acting joint (15) connected to the second universal joint so as not to rotate relative to the second universal joint;
One end is connected to the first structure, and the other end is connected to the linear joint, thereby driving the second rotary joint to relatively connect the second structure and the third structure. A multi-degree-of-freedom joint drive mechanism having a second drive device (10-1, 10-2) to be rotated.
3. The multi-degree-of-freedom joint according to claim 1, wherein at least one of the first universal joint, the linear motion joint, or the second universal joint is disposed in the second structure. Drive mechanism.
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