JP2005288590A - 多関節型マニピュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】
ワイヤ駆動方式の多関節型マニピュレータにおいて、各関節の連結部の軸回転運動と折れ回動運動を、各連結部に対応する駆動手段によりそれぞれ独立に、かつ定量的に制御できるようにする。
【解決手段】
多関節型マニピュレータ(A)の回転体(20,30)と回動アーム体(21,31)の運動は、ワイヤ(W1,W2,W3,W4)の往路と復路がモータ(M1,M2,M3,M4)により同量づつ正逆方向へ進退動することにより行われる。ワイヤは、それぞれが駆動する連結部(jb,jc,jd)に対して基側の連結部(ja,jb,jc)が動いたとき、回転体(30)または回動アーム体(21,31)側のワイヤ固定部と、モータ側のワイヤ固定部間の往路と復路がそれぞれ同方向へ同量ずつ変化する。ワイヤの進退動により、回転体(20,30)または回動アーム体(21)が動いたときは、それより先側の連結部(jb,jc,jd)を駆動するモータがワイヤの掛け渡し方向へ進退動する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、多関節型マニピュレータに関するものである。更に詳しくは、ワイヤにより駆動する方式の多関節型マニピュレータであって、各関節の連結部の軸回転運動と折れ回動運動を、各連結部に対応する駆動手段によりそれぞれ独立に、かつ定量的に制御でき、各連結部の動きを組み合わせた複雑な動きでも、各駆動手段を定量的に駆動するだけで制御できる多関節型マニピュレータに関する。
例えば、医療の分野あるいは高レベルの放射性物質等の危険物を取り扱う各分野、更には工業製品の製造の分野等において、多関節型マニピュレータ(manipulator[minipjileitir])が使用されている。
多関節型マニピュレータは、複数の可動アーム体と各可動アーム体を結合する複数の関節部を有しており、一般的にはモータ等のアクチュエータによって駆動されるものである。このような多関節型マニピュレータには、動きを手動で制御するもの(例えば医療分野、危険物を取り扱う分野等)やプログラムで制御するもの(例えば工業製品の製造分野等)がある。
多関節型マニピュレータとしては、従来より、各関節に独立して駆動用モータを設けたものがある。これは比較的大型のマニピュレータに採用される構造である。比較的小型のものとしては、マニピュレータの本体とは別に設けた駆動用モータの駆動力をワイヤ(ワイヤ等)によって各関節に伝えて動かすようにしたものがある(例えば特許文献1参照)。
特許文献1に記載されたロボットアームは、駆動する多関節型マニピュレータの関節の数n+1(正確には、n+1を超える最小の偶数本)のワイヤと駆動系により、各関節を制御駆動できるものである。
特開平4−300179号公報
上記した特許文献1記載のロボットアームには次のような課題があった。
すなわち、ロボットアームは、各関節をワイヤで駆動する際、個々の関節と駆動手段を1対1で独立して制御するようにはなっていない。
例えば、基側となる関節を駆動させる場合には、その関節より先側に構成される関節と駆動手段までの距離も変化するため、先側にあるすべての関節に対応する駆動手段を同時に制御する必要があった。
つまり、例えばすべての関節を同時に駆動する場合には、ワイヤを引っ張り、または送り出す速度に速度差を設け、同期をとって制御したり、更には各関節を確実に動かすために、各関節におけるワイヤのトルクをトルクセンサで測定して、ワイヤの駆動トルクの制御系にフィードバックする等、複雑な制御を行わなければならなかった。
(本発明の目的)
本発明は、ワイヤにより駆動する方式の多関節型マニピュレータにおいて、各関節の連結部の軸回転運動と折れ回動運動を、各連結部に対応する駆動手段によりそれぞれ独立に、かつ定量的に制御でき、各連結部の動きを組み合わせた複雑な動きでも、各駆動手段を定量的に駆動するだけで制御できる多関節型マニピュレータを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は次のとおりである。
第1の発明にあっては、
複数のアーム構成部材が関節部で連結されており、
関節部は、
軸回転運動自在に連結された回転体の連結部である回転連結部と、
回転体に折れ回動運動自在に連結された回動アーム体の連結部である折れ回動連結部により構成されており、
回転体の軸回転運動と回動アーム体の折れ回動運動は、ワイヤの往路と復路が、駆動手段により同量づつ正逆方向へ進退動することにより行われるようにしてあり、
ワイヤは、それぞれが駆動する連結部に対して基側となる連結部が回転または回動した場合は、回転体側または回動アーム体側のワイヤ固定部と、駆動手段側のワイヤ固定部間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するように基側となる回転体または回動アーム体に通してあり、
ワイヤの往路と復路の距離が同方向へ同量ずつ変化しようとする場合には、それぞれの駆動手段がワイヤの掛け渡し方向へ進退動できるようにして、ワイヤの往路と復路へ均等にテンションがかかるようにすることにより、回転または回動する連結部より先側の回転体または回動アーム体の連結部における回転角度は変化しないようにしてあり、
回転体および回動アーム体は、それぞれを駆動する駆動手段により、連結部において回転または回動する角度を定量的に、かつ独立して制御できるようにしてあることを特徴とする、
多関節型マニピュレータである。
第2の発明にあっては、
ワイヤは、それぞれが駆動する連結部に対して基側となる連結部が回転した場合は、回転体側または回動アーム体側のワイヤ固定部と、駆動手段側のワイヤ固定部間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するようにする構造は、
基側となる回転体より先側に設けてある回転体または回動アーム体を駆動するワイヤの往路と復路を、回転体の回転中心軸線に対し対称の位置を通るよう案内する構造を含むことを特徴とする、
第1の発明に係る多関節型マニピュレータである。
第3の発明にあっては、
ワイヤは、それぞれが駆動する連結部に対して基側となる連結部が回動した場合は、回転体側または回動アーム体側のワイヤ固定部と、駆動手段側のワイヤ固定部間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するようにする構造は、
回動アーム体より先側に設けてある回転体または回動アーム体を駆動するワイヤは、基側となる回動アーム体の回動中心軸の外周または回動中心軸を中心とする円周上に、それぞれに同じ屈曲半径となるように回し掛けて誘導される構造を含むことを特徴とする、
第1の発明に係る多関節型マニピュレータである。
特許請求の範囲及び明細書にいうワイヤの用語は、例えば金属製のワイヤ、ワイヤロープ、合成樹脂製の紐、糸、ロープ、各種紐状体(釣り糸、撚り糸等)等の意味を含むものである。ワイヤは、本質的に伸縮しないものが好ましいが、これに限定せず、多少伸縮するものを採用することもできる。
ワイヤを回転体または回動アーム体につなぐ構造は、例えばワイヤを閉ループ状(無端状)にして、回転体または回動アーム体の外周部や回転軸等に回し掛ける構造の他、その構造に更にワイヤの一部を回転体または回動アーム体の所要箇所に固定する構造、あるいはワイヤの両端部を回転体または回動アーム体の外周部や回転軸等に固定する構造等であるが、これらに限定はされない。
また、ワイヤの固定方法としては、例えば固定ピン等による固定、接着剤による接着、引っ掛け、係止等が採用できる。
ワイヤを回転体の回転中心に通す構造は特に限定しないが、回転体の回転中心部に管体を設けてもよいし、回転体そのものをほぼ管体構造にすることもできる。
駆動手段は、ワイヤの進退操作ができるものであれば特に限定しないが、例えば動力源となるモータやエアシリンダ等のアクチュエータを含む構造である。
(作用)
本発明に係る多関節型マニピュレータの作用を説明する。なお、ここでは、本発明の各構成要件のそれぞれに、後述する実施の形態において各部に付与した符号を対応させて付与し説明する。この符号の付与は、あくまで説明の理解を助けるためであって各構成要件の上記各部への限定を意味するものではない。
本発明に係る多関節型マニピュレータは次のように作用する。
多関節型マニピュレータのワイヤ(W1,W2,W3,W4)を駆動手段(M1,M2,M3,M4)により同量づつ正逆方向へ進退動させる。
回転体(20,30)または回動アーム体(21)に通してあるワイヤ(W2,W3,W4)は、それぞれが駆動する連結部(jb,jc,jd)に対して基側となる連結部(ja,jb,jc)が回転または回動した場合には、回転体(30)側または回動アーム体(21,31)側のワイヤ固定部(210,308,314)と、駆動手段(M2,M3,M4)側のワイヤ固定部(430,440,450)のワイヤ経路の往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化しようとする。
更に、ワイヤ(W2,W3,W4)への引っ張り方向の付勢により、回転体(20,30)または回動アーム体(21)が回転または回動した場合は、ワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化しようとするため、それらより先側に設けてある連結部(jb,jc,jd)を駆動する駆動手段(M2,M3,M4)がワイヤの掛け渡し方向へ進退動する。
このとき、ワイヤ(W2,W3,W4)の往路と復路には均等にテンションがかかり、回転または回動する連結部(ja,jb,jc)より先側の回転体(30)または回動アーム体(21,31)の連結部における回転角度は変化しない。
これにより、回転体(20,30)は、関節部(J1,J2)の回転連結部(ja,jc)において、それぞれを駆動する駆動手段(M1,M3)により、連結部(ja,jc,)において回転する角度が定量的に、かつ独立して制御されて軸回転運動をする。
また、回動アーム体(21,31)は関節部(J1,J2)の回動連結部(jb,jd)において、それぞれを駆動する駆動手段(M2,M4)により、連結部(jb,jd)において回動する角度が定量的に、かつ独立して制御されて折れ回動運動をする。
本発明に係る多関節型マニピュレータによれば、基側の連結部を回転または回動させたときに、それより先側の他の連結部の回転角または回動角は変化しないので、各連結部の軸回転運動と折れ回動運動を、対応する駆動手段によりそれぞれ独立に、かつ定量的に制御することができる。
従って、各連結部の動きを組み合わせた複雑な動きでも、各連結部に対応する各駆動手段を定量的に駆動するだけで制御できる。また、これにより制御が容易になるので、制御機器を省略できる分だけコストを安価に抑えることができ、玩具等への利用も図ることができる。
本発明を図に示した実施例に基づき詳細に説明する。
本発明を図面に示した実施の形態に基づき更に詳細に説明する。
図1は本発明に係る多関節型マニピュレータの一実施の形態を示す平面視説明図、
図2は多関節型マニピュレータの一部を省略した側面視説明図、
図3はアーム部を拡大した平面視概略説明図、
図4はアーム部を拡大した正面視概略説明図、
図5はアーム部の断面説明図である。
多関節型マニピュレータMは、アーム部Aと、それを駆動する駆動部Bにより構成されている。
アーム部Aは、取付部1、基部アーム2、先部アーム3を備えている。
基部アーム2は、回転体20と回動アーム体21を有し、先部アーム3は、回転体30と回動アーム体31、ハンド体32を有している。
関節部J1は、取付部1と回転体20の連結部である軸回転ジョイントjaと、回転体20と回動アーム体21の連結部である折れ回動ジョイントjbにより構成される。
また、関節部J2は、回動アーム体21と回転体30の連結部である軸回転ジョイントjcと、回転体30と回動アーム体31の連結部である折れ回動ジョイントjdにより構成される。
アーム部Aの構造を詳細に説明する。
アーム部Aは、後述する駆動部Bを構成する台板40に取り付けてある。アーム部Aは、アーム部Aを後述する台板40に取り付けるための固着具となる取付部1を有している。
取付部1は、ほぼ直方体のブロック状で、二箇所に収容空間部10、11を有している。収容空間部10、11は、それぞれ上面側から後面側にかけて設けられている。また、収容空間部10、11間には、連通路18が設けてある。連通路18は、後述する回転体20に設けてある誘導通路200と連通する位置に設けてある。
収容空間部10(図1において右側)について説明する。
収容空間部10は、モータM2、M3、M4の回転体43、44、45からアーム部Aの連結部jb、jc、jdにつながれるワイヤW2、W3、W4(各ワイヤW2、W3、W4はそれぞれ閉ループを構成しているので、各ワイヤ当たりで往復二本ある)を通して方向を変える各ピンを配置するためのものである。
収容空間部10は、上記したように取付部1の上面側から後面側にかけて設けてあり、前端面から後方へ及び底面から上方へ所要の間隔をおいて受部材12が設けてある。受部材12の前方には、上下に所定の間隔をおいて二本のガイドピン13、14が横方向へ平行に固着してある。
ガイドピン13、14の間には、それぞれ上下二本一組のガイドピン15、16、17が収容空間部10の前端面と受部材12間に架け渡すようにして前後方向へ、かつガイドピン13、14と直角方向へ平行に固着してある。ガイドピン15、16、17は、それぞれの上下の間隔がガイドピン15、15より16、16が、更に16、16より17、17が狭くなるように、また、回転体20の回転軸からの距離がそれぞれ対称となるように設定されている(図4、図5参照)。
収容空間部11(図1において左側)は、回転体20の一端側のプーリ22部分を収容し、回転体20を軸支するためのものである。
収容空間部11には、基部アーム2を構成する回転体20が軸受23を介し回転可能に軸支してある。軸受23は玉軸受であり、後述する他の軸受も同様であるが、玉軸受以外の各種転がり軸受あるいは滑り軸受等、他の構造の軸受を採用することもできる。
回転体20は、長さ方向に貫通した誘導通路200を有する構造である。回転体20の基側(図5において右側)は円管状に形成してあり、回転体20はこの円管部201を軸受23に固着して取り付けてある。
上記プーリ22の長さは収容空間部11の幅よりやや短く形成され、円管部201に固着してある。プーリ22は、収容空間部11内部で回転可能である。
プーリ22の一方寄りの外周部には、後述する閉ループ状のワイヤW1を一点で止める止めピン221が設けてある。止めピン221は、プーリ22の外周部に設けてある凹部(符号省略)にワイヤW1を挟み込むようにして圧入することによりワイヤW1を止めることができる。ワイヤW1の経路については、後述する。
回転体20の先側、すなわち円管部201の端部には取付部202が設けてある。取付部202には、基側の直径方向の二箇所に誘導通路200と外部を連通させる連通口203が設けてある。そして、各連通口203を挟むようにして、それぞれ二本一組のガイドピン204、205が図3で縦方向となる方向に並設してある。また、ガイドピン204、205の先側には、ガイドピン206、207が図4で縦方向(ガイドピン204、205とは直角方向)となる方向に、それぞれ両端部を外面より突出させて並設してある。
取付部202の先部には誘導通路200に通じる開口部208が設けてある。開口部208の近傍には、回転体20の軸線方向と直角方向かつ軸線と交わるように軸ピン209が設けてある。軸ピン209は、取付部202を貫通し両端部を外側に所要長さ突出させて固着してある(図5参照)。
回転体20の取付部202には、回動アーム体21が回動可能に取り付けてある。回動アーム体21の内部には、長さ方向に貫通する誘導通路211が設けてある。回動アーム体21の基端部両側には、ほぼ円板状の軸受部材212、213が設けてある。
軸受部材212、213の外周部には、後述するワイヤW2を止める止めピン210が設けてある。止めピン210は、軸受部材212、213の外周部に設けてある凹部(符号省略)にワイヤW2を挟み込むようにして圧入することによりワイヤW2を止めることができる。ワイヤW2の経路については、後述する。
軸受部材212、213の内面側には、相対向して軸受214が設けてある。回動アーム体21は、軸受214に軸ピン209の両端部を固着することにより回転体20の取付部202に取り付けてある。
回動アーム体21の長さ方向中央部には、直径方向に貫通してガイドピン215が固着して設けてある。ガイドピン215より先側には、ガイドピン218、219が所定の間隔でガイドピン215と平行に設けてある(図3ないし図5参照)。
ガイドピン215より基側の誘導通路211内部には、それぞれ二本一組のガイドピン216、217が図5において奥行き方向となる方向に並設してある。
回動アーム体21の先部には、回転体30が回転可能に軸支してある。
先部アーム3を構成する回転体30は、ほぼ円管状の回転軸部材301とその先側に設けてある取付部302で構成してある。回転軸部材301は、長さ方向に貫通した誘導通路309を有する構造である。回転体30は、回転軸部材301を軸受33に固着して、回動アーム体21の先側内部に回転可能に取り付けてある。
回転軸部材301の中間部はやや径大に形成され、その外周部には、後述するワイヤW3を止める止めピン308が設けてある。止めピン308は、径大部(符号省略)の外周部に設けてある凹部(符号省略)にワイヤW3を挟み込むようにして圧入することによりワイヤW3を止めることができる。ワイヤW3の経路については、後述する。
回転体30の先側に設けてある取付部302は、先部両側に軸受部材303、304を有している。取付部302には、回転軸部材301の誘導通路309と連通し、先部方向に開口する開口部305が設けてある。取付部302には、開口部305を貫通して二本のガイドピン307が図5において上下方向に並設してある。また、軸受部材303、304間には、軸ピン306が回転体30の軸線方向と直角方向かつ軸線と交わるよう各ガイドピン307と平行に固着してある。
回転体30の取付部302の先部には、回動アーム体31が回動可能に取り付けてある。回動アーム体31の先端部には、ハンド体32が取り付けてある。本実施の形態では玩具に利用することを前提としているためハンド体32を設けている。本発明を他の分野(医療、危険物を取り扱う各分野、工業製品の製造の分野等)に利用する場合は、ハンド体32に代えて使用目的に合った工具や装置が取り付けられる。
回動アーム体31の基側には、長さ方向に切り欠かれた切欠部311が設けてあり、切欠部311の基端部には、ほぼ円板状の軸受部材312が固着してある。軸受部材312には軸受313が設けてあり、回動アーム体31は軸受313に軸ピン306を固着して取り付けてある。
軸受部材312の外周部には、後述するワイヤW4を止める止めピン314が設けてある。止めピン314は、軸受部材312の外周部に設けてある凹部(符号省略)にワイヤW4を挟み込むようにして圧入することによりワイヤW4を止めることができる。ワイヤW4の経路については、後述する。
駆動部Bは、駆動手段である四台のモータM1、M2、M3、M4と、各モータの駆動力をアーム部Aに伝えて動かすワイヤW1、W2、W3、W4により構成されている。各ワイヤは合成樹脂製の撚り糸である。
駆動部Bは、駆動部Bを構成する各モータの動き(回転軸の回転方向、回転角、タイミング等)を制御する制御部を含んでおり、制御部はマイコン等、公知手段が採用されている。なお、ここでは制御部についての詳細な説明は省略する。
駆動部Bの構造を詳細に説明する。
駆動部Bを構成する台部4は、長方形の金属製の台板40を有している。台板40の四隅には、下方へ向け脚棒41がそれぞれ設けてある。なお、この台板40と各脚棒41は、アーム部Aの用途によって適宜違うものに変えることができる。
台板40の上面には、四箇所にモータM1、M2、M3、M4が設けてある。モータM1、M2、M3、M4のうち、モータM1、M2は図1で台板40の左側に、モータM3、M4は同じく台板40の右側にそれぞれ並設してある。
各モータM1、M2、M3、M4は、スライドレールであるレール部材46を介在させて取付部1方向(図1において上下方向)へ進退移動可能に取り付けてある。そして、各モータM1、M2、M3、M4と、それらの後方に設けてある係止ネジ47の間には、それぞれ引っ張りバネ48が掛けてある。これにより、モータM1、M2、M3、M4は、取付部1と離れる方向へ付勢されている。
また、モータM1、M2の回転軸49とモータM3、M4の回転軸49は、図1に示すように向かい合わせにしてあり、各回転軸49にはワイヤW1、W2、W3、W4を掛けるためのプーリ42、43、44、45が取り付けてある。
プーリ42、43、44、45の外周部には、それぞれワイヤW1、W2、W3、W4を止める止めピン420、430、440、450が設けてある(図3参照)。各止めピンは、プーリ42、43、44、45の外周部に設けてある凹部(符号省略)に各ワイヤを挟み込むようにして圧入することによりワイヤを止めることができる。
ワイヤW1、W2、W3、W4を掛ける経路(掛け方)は次に説明するとおりである。なお、図3、図4では図面が複雑になるのを避けるために各ワイヤの全体を表さず、一部を省略し要部のみを示している。また、ワイヤW1、W2、W3、W4が回し掛けられる箇所には、溝部が設けてある箇所もあるが、溝部の図示は省略している。
(ワイヤW1の経路)
ワイヤW1は、モータM1の駆動により、往路と復路がそれぞれ正逆方向に進退動することによって、アーム部Aを軸回転ジョイントja(取付部1と回転体20の連結部)で軸周方向に回転(回動)させるものである。
ワイヤW1は収容空間部11の開口部を通り、閉ループ状(無端状)となるように、回転体20のプーリ22とモータM1のプーリ42に回し掛けてある。ワイヤW1は止めピン221によってプーリ22の外周部に一点で固定してあり、また、止めピン420によってプーリ42の外周部に一点で固定してある。
ワイヤW1は、アーム部Aが図3、図4に示すような状態のときに、引っ張りバネ48によってワイヤW1に適当な張力が掛かるように長さを調整してある。
(ワイヤW2の経路)
ワイヤW2は、モータM2の駆動により、往路と復路のワイヤがそれぞれ正逆方向に進退動することによって、アーム部Aを折れ回動ジョイントjb(回転体20と回動アーム体21の連結部)で折れ回動させるものである。
ワイヤW2は、中間部をプーリ43に回し掛けて止めピン430で一点で固定し、両側(往路と復路)を収容空間部10の開口部を通ってガイドピン13、14に掛け、更にガイドピン15、15に掛けて連通路18と誘導通路200を通り、両側の各連通口203から外部へ誘導してガイドピン204、205にそれぞれ掛け、最後にガイドピン206、207に掛けて軸受部材212、213の外周部にそれぞれ逆方向に回し掛け、両先端部を止めピン210、210によって固定する。
ワイヤW2は、アーム部Aが図3、図4に示すような状態のときに引っ張りバネ48によってワイヤW2に適当な張力が掛かるように長さを調整してある。
(ワイヤW3の経路)
ワイヤW3は、モータM3の駆動により、往路と復路のワイヤがそれぞれ正逆方向に進退動することによって、アーム部Aを軸回転ジョイントjc(回動アーム体21と回転体30の連結部)で軸周方向に回転(回動)させるものである。
ワイヤW3は、プーリ44に回し掛けて止めピン440で固定し、両側(往路と復路)を収容空間部10の開口部を通ってガイドピン13、14に掛け、ガイドピン16、16に掛けて連通路18と誘導通路200を通り、ガイドピン207から軸ピン209に回し掛けて開口部208を通り、更に誘導通路211を通ってガイドピン216、217、215、218、219に掛け、回転軸部材301の径大部に回し掛け、止めピン308で固定し、閉ループ状(無端状)となるようにしてある。
ワイヤW3は、アーム部Aが図3、図4に示すような状態のときに引っ張りバネ48によってワイヤW3に適当な張力が掛かるように長さを調整してある。
(ワイヤW4の経路)
ワイヤW4は、モータM4の駆動により、往路と復路のワイヤがそれぞれ正逆方向に進退動することによって、アーム部Aを折れ回動ジョイントjd(回転体30と回動アーム体31の連結部)で折れ回動させるものである。
ワイヤW4は、プーリ45に回し掛けて止めピン450で固定し、両側(往路と復路)を収容空間部10の開口部を通ってガイドピン13、14に掛け、ガイドピン17、17に掛けて連通路18と誘導通路200を通り、ガイドピン207から軸ピン209に回し掛けて開口部208を通り、更に誘導通路211、309を通ってガイドピン307に掛け、軸受部材312にそれぞれ逆方向に回し掛けてあり、更に止めピン314で固定し、閉ループ状(無端状)となるようにしてある。
ワイヤW4は、アーム部Aが図3、図4に示すような状態のときに引っ張りバネ48によってワイヤW4に適当な張力が掛かるように長さを調整してある。
図6は多関節型マニピュレータのワイヤW2系に対するワイヤW3系の動きを示す説明図、
図7は多関節型マニピュレータのワイヤW1系に対するワイヤW2系の動きと、ワイヤW3系に対するワイヤW4系の動きを示す説明図である。
図6、図7においては、多関節型マニピュレータの本発明に係る要部を、より簡潔にわかりやすいように表している。なお、図6、図7において、図1ないし図5に示した多関節型マニピュレータMの各部に対応する箇所には、同じ符号を付して示している。
ワイヤW2系に対するワイヤW3系の動きについて、図6を参照して説明する。
回動アーム体21は軸ピン209を中心にして回動可能に設けてあり、軸ピン209には軸受部材212が固着されている。軸受部材212の外周部とモータM2のプーリ43の外周部間には、ワイヤW2が、往路と復路のワイヤが進退動することにより軸受部材212を回転できるよう回し掛けてある。
回動アーム体21の先端部には回転体30が回転可能に設けてある。回転体30の外周部とモータM3のプーリ44の外周部間には、ワイヤW3が、往路と復路のワイヤが進退動することにより回転体30を回転できるよう回し掛けてある。ワイヤW3は、プーリ44からガイドピン207に掛けられ、更に軸ピン209、ガイドピン215、219に回し掛けられて、方向を変えて回転体30の外周部に回し掛けられている。
この構造によると、モータM2の駆動によりワイヤW2を介し回動アーム体21が回動しても、同時にモータM3の駆動力を支障なく回転体30に伝えて回転(回動)させることができる。
図6(a)の状態から回動アーム体21が90°回動して(b)の状態になったときには、ワイヤW3の往路と復路のワイヤが、どちらも同径の軸ピン209に回し掛けてあるので、往路と復路のワイヤが同量ずつモータM3を引っ張るため、モータM3は引っ張りバネ48の付勢力に抗して矢印方向に移動する。このとき、回転体30の回転位置は変化せず、回動アーム体21が回動しても、同時にモータM3の駆動力を支障なく回転体30に伝えて回転させることができるので、回動アーム体21と回転体30は、それぞれを駆動するモータM2、M3によって独立に制御できるとともに、同時に駆動することもできる。
ワイヤW2系に対しては、ワイヤW4系もワイヤW3系と同様に独立して制御でき、同時に駆動することもできる。
また、ワイヤW1系に対するワイヤW2系の動きと、ワイヤW3系に対するワイヤW4系の動きについて、図7を参照して説明する。
回転体20(30)は軸周方向に回転可能に設けてある。回転体20(30)の外周部と、モータM1(M3)のプーリ42(44)の外周部間には、ワイヤW1(W3)が、往路と復路のワイヤが進退動することにより回転体20(30)を回転できるよう回し掛けてある。
回転体20(30)には誘導通路200(309)が設けてある。回転体20(30)には軸受部材212(312)が回動可能に設けてある。軸受部材212(312)の外周部とモータM2(M4)のプーリ43(45)の外周部間には、ワイヤW2(W4)が、往路と復路のワイヤが進退動することにより軸受部材212(312)を回転できるよう回し掛けてある。
ワイヤW2(W4)は、ガイドピン15(17)を通り、回転体20(30)の誘導通路200(309)に通してあり、更にガイドピン206、207(307)に掛けてある。
この構造によると、モータM1(M3)の駆動によりワイヤW1(W3)を介し回転体20(30)が回転(回動)しても、同時にモータM2(M4)の駆動力を支障なく軸受部材212(312)に伝えて回動させることができる。
図7(a)の状態から回転体20(30)が90°回動して(b)の状態になったときには、平行であったワイヤW2(W4)が交差するために、ワイヤW2(W4)の架け渡し長さがやや長くなり、結果、モータM2(M4)はワイヤW2(W4)に引っ張られて引っ張りバネ48の付勢力に抗して矢印方向に移動する。
なお、多関節型マニピュレータMにおいては、ワイヤW4は、軸ピン209に回し掛けてワイヤW2の動きに関係なく駆動できるようにした後にガイドピン307に掛けてあり、回動アーム体21がどの位置にあってもワイヤW4は回転体30の軸線から対称位置を通るので、回動アーム体31の回動位置は変化しない。
ワイヤW1系に対しては、ワイヤW3系及びW4系もワイヤW2系と同様に独立して制御でき、同時に駆動することもできる。
(作 用)
図8は多関節型マニピュレータの関節部の軸周方向回転による動きを示す説明図、
図9は多関節型マニピュレータの関節部の折れ回動による動きを示す説明図である。
図1ないし図9を参照して、本実施の形態に係る多関節型マニピュレータの作用を説明する。
図8を参照して多関節型マニピュレータの関節部の軸周方向回転による動きを説明する。ここでは、理解を容易にするために関節部の軸周方向回転による動きと、図9に示した折れ回動による動きを分けて説明する。
なお、多関節型マニピュレータの実際の制御では、後で説明する関節部の折れ回動による動きと組み合わせて、より複雑な動きの制御が行われる。
図8(a)は、図3に示す多関節型マニピュレータと同じ状態であり、本動作説明の初期状態を示す。
初期状態からモータM1を駆動してプーリ42を所定の回転角度で正逆回転(正逆回動)させると、ワイヤW1が長さ方向(線方向)へ進退移動し、回転体20が所定の回転角度(例えば90°)で正逆回転(正逆回動)して、アーム部A全体(基部アーム2と先部アーム3)が軸周方向に正逆回転する(図8(b)参照)。
また、図8(b)に表した状態からモータM3を駆動してプーリ44を所定の回転角度で正逆回転(正逆回動)させると、ワイヤW3が長さ方向(線方向)へ進退移動することにより、回転体30が所定の回転角度(例えば90°)で正逆回転(正逆回動)し、アーム部Aの先部アーム3が軸周方向に正逆回転する(図8(c)参照)。
図9を参照して多関節型マニピュレータの関節部の折れ回動による動きを説明する。
図9(a)は、図8(a)と同様、図3に示す多関節型マニピュレータと同じ状態であり、本動作説明の初期状態を示す。
初期状態からモータM4を駆動してプーリ45を所定の回転角度で正逆回転(正逆回動)させると、ワイヤW4が長さ方向(線方向)へ進退移動し、軸受部材312が所定の回転角度(例えば90°)で正逆回転(正逆回動)して、アーム部Aの先部アーム3が折れ回動方向に正逆回動する(図9(b)参照)。
また、図9(b)に表した状態からモータM2を駆動してプーリ43を所定の回転角度で正逆回転(正逆回動)させると、ワイヤW2が長さ方向(線方向)へ進退移動することにより、軸受部材212が所定の回転角度(例えば90°)で正逆回転(正逆回動)し、アーム部A全体(基部アーム2と先部アーム3)が折れ回動方向に正逆回動する(図9(c)参照)。
このように、本実施の形態に係る多関節型マニピュレータMは、アーム部Aを構成する基部アーム2と先部アーム3を作動させる際、それぞれ軸周方向への回転と折れ回動方向への回動を、各連結部ja、jb、jc、jdにワイヤW1、W2、W3、W4で繋がれた各モータM1、M2、M3、M4で独立に制御できる。
基側の連結部が回転しても、その先側の連結部を駆動するモータM2、M3、M4がワイヤW2、W3、W4の掛け渡し方向へ進退動するだけであり、かつワイヤW2、W3、W4の往路と復路へ均等にテンションがかかるために、回転または回動する連結部ja、jb、jcより先側の回転体30または回動アーム体21、31の連結部における回転角度は変化しない。
これにより、各関節部J1、J2において、回転体20,30の軸周方向の回転運動と、回動アーム体21、31の軸方向の折れ回動運動を単独、または組み合わせて自由に動かすことができ、ワイヤ駆動方式の多関節マニピュレータMの複雑な動きが可能になる。
また、従来のように基側の連活部を回転または回動させる場合でも、その先側に構成される連結部を駆動するワイヤを制御する必要がない。また、基側と先側の連結部を同時に動かす場合にも、引っ張り、または送り出すワイヤに速度差を設けて、同期をとって制御を行う必要もないので、簡単な制御によって、多関節マニピュレータMの複雑な動きが可能になる。
図10は多関節型マニピュレータのワイヤW2系とワイヤW3系の代替構造のモデルを示す説明図、
図11は多関節型マニピュレータのワイヤW1系とワイヤW2系の代替構造のモデルを示す説明図である。
図10、図11においては、多関節型マニピュレータの本発明に係る要部の他の例を、簡潔にわかりやすいように表している。なお、図10、図11において、図1ないし図5に示した多関節型マニピュレータの各部に対応する箇所には、同じ符号を付して示している。
ワイヤW2系とワイヤW3系の構造の他の例について、図10に示すモデルの説明図によって、その基本構造を説明する。
回動アーム体21は基部二箇所を軸ピン209により回動可能に設けてある。軸ピン209には軸受部材212が固着されている。各軸ピン209の内側にはそれぞれガイドピン101が軸受部材212に固着して設けてある。各ガイドピン101の更に内側には、回転体20(図10では図示せず)に固着されてガイドピン102が設けてある。
軸受部材212と、モータM2のプーリ43にはワイヤW2が回し掛けてある。
回動アーム体21の先端部には回転体30が回転可能に設けてある。回転体30と、モータM3のプーリ44にはワイヤW3が回し掛けてあり、回転体30では一点を止めピン314で固定してある。
ワイヤW3は、プーリ44から各ガイドピン102に掛けられ、更に各ガイドピン101からガイドピン215、219に掛けられて、方向を変えて回転体30に掛けられている。なお、ワイヤW3のうち、ガイドピン102とガイドピン101の間のP1、P2部が回動アーム体21の軸ピン209の回動中心を結ぶ線と重なる部分となっている。
この構造によると、モータM2により回動アーム体21が回動しても、同時にモータM3の駆動力を支障なく回転体30に伝えて回転(回動)させることができる。
なお、図10(a)の状態から回動アーム体21が90°回動して(b)の状態になったときには、各ガイドピン101も回動するが、ワイヤW3のP1、P2部が動くことはなく、実質ワイヤW3の架け渡し長さが長くなることはない。
従って、図6に示す場合と相違して、(b)のように回動したときにモータM3がワイヤW3に引っ張られることはなく、モータM3を進退動させるためのレール部材46及び引っ張りバネ48は不要であり、モータM2により回動アーム体21が回動しても、ワイヤW3の張力はほぼ一定に保たれる。
また、ワイヤW1系とワイヤW2系の構造の他の例について、図11に示すモデルの説明図によって、その基本構造を説明する。
回転体20は軸周方向に回転可能に設けてある。回転体20と、モータM1のプーリ42にはワイヤW1が回し掛けてある。回転体20には誘導通路200が設けてある。回転体20には軸受部材212が回動可能に設けてある。
モータM2のプーリ43には、ワイヤW2の一端側が取り付けてある。ワイヤW2は、プーリ43から回転体20の誘導通路200を通りガイドピン103に掛けられ、更に軸受部材212に回し掛けられて一点を止めピン210で固定されている。そして、ワイヤW2はガイドピン104に掛けられ、誘導通路200に通してあり、ワイヤ他端側を、一端側が回転体20に掛けられた引っ張りバネ105の他端側に接続してある。
なお、ガイドピン103、104は、回転体20に固着してある。また、ワイヤW2のうちプーリ43とガイドピン103の間のP3部は、回転体20の回転中心軸と重なっている。
この構造によると、モータM1により回転体20が回転(回動)しても、同時にモータM2の駆動力を支障なく軸受部材212に伝えて回動させることができる。このとき、ワイヤW2のうちP3部は、P3部自体がねじれるだけで、回転に伴って位置が変わることはなく、実質ワイヤW2の架け渡し長さが長くなることはない。
従って、図7に示す場合と相違して(b)のように回動したときにモータM2がワイヤW2に引っ張られることはなく、ワイヤW2の張力を調整するための手段(引っ張りバネ48等)は不要である。また、ワイヤW2の張力は引っ張りバネ105の作用により、駆動力の伝達に支障がないよう適度に保たれる。
なお、本明細書で使用している用語と表現は、あくまで説明上のものであって限定的なものではなく、上記用語、表現と等価の用語、表現を除外するものではない。また、本発明は図示されている実施の形態に限定されるものではなく、技術思想の範囲内において種々の変形が可能である。
本発明に係る多関節型マニピュレータの一実施の形態を示す平面視説明図。 多関節型マニピュレータの一部を省略した側面視説明図。 アーム部を拡大した平面視概略説明図。 アーム部を拡大した正面視概略説明図。 アーム部の断面説明図。 多関節型マニピュレータのワイヤW2系の動きに対するワイヤW3系の動きを示す説明図。 多関節型マニピュレータのワイヤW1系に対するワイヤW2系の動きと、ワイヤW3系に対するワイヤW4系の動きを示す説明図。 多関節型マニピュレータの関節部の軸周方向回転による動きを示す説明図。 多関節型マニピュレータの関節部の折れ回動による動きを示す説明図。 多関節型マニピュレータのワイヤW2系とワイヤW3系の代替構造のモデルを示す説明図。 多関節型マニピュレータのワイヤW1系とワイヤW2系の代替構造のモデルを示す説明図。
符号の説明
M 多関節型マニピュレータ
A アーム部
J1 関節部
ja 軸回転ジョイント
jb 折れ回動ジョイント
J2 関節部
jc 軸回転ジョイント
jd 折れ回動ジョイント
1 取付部
10、11 収容空間部
12 受部材
13、14 ガイドピン
15、16、17 ガイドピン
18 連通路
2 基部アーム
20 回転体
200 誘導通路
201 円管部
202 取付部
203 連通口
204、205 ガイドピン
206、207 ガイドピン
208 開口部
209 軸ピン
21 回動アーム体
210 止めピン
211 誘導通路
212、213 軸受部材
214 軸受
215 ガイドピン
216、217 ガイドピン
218、219 ガイドピン
22 プーリ
221 止めピン
23 軸受
3 先部アーム
30 回転体
301 回転軸部材
302 取付部
309 誘導通路
308 止めピン
303、304 軸受部材
305 開口部
307 ガイドピン
303、304 軸受部材
306 軸ピン
31 回動アーム体
311 切欠部
312 軸受部材
313 軸受
314 止めピン
32 ハンド体
33 軸受
B 駆動部
M1、M2、M3、M4 モータ
W1、W2、W3、W4 ワイヤ
4 台部
40 台板
41 脚棒
42、43、44、45 プーリ
420、430、440、450 止めピン
46 レール部材
47 係止ネジ
48 引っ張りバネ
49 回転軸
101、102 ガイドピン
103、104 ガイドピン
105 引っ張りバネ

Claims (3)

  1. 複数のアーム構成部材が関節部(J1,J2)で連結されており、
    関節部(J1,J2)は、
    軸回転運動自在に連結された回転体(20,30)の連結部である回転連結部(ja,jc)と、
    回転体(20,30)に折れ回動運動自在に連結された回動アーム体(21,31)の連結部である折れ回動連結部(jb,jd)により構成されており、
    回転体(20,30)の軸回転運動と回動アーム体(21,31)の折れ回動運動は、ワイヤ(W1,W2,W3,W4)の往路と復路が、駆動手段(M1,M2,M3,M4)により同量づつ正逆方向へ進退動することにより行われるようにしてあり、
    ワイヤ(W2,W3,W4)は、それぞれが駆動する連結部(jb,jc,jd)に対して基側となる連結部(ja,jb,jc)が回転または回動した場合は、回転体(30)側または回動アーム体(21,31)側のワイヤ固定部(210,308,314)と、駆動手段(M2,M3,M4)側のワイヤ固定部(430,440,450)間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するように基側となる回転体(20,30)または回動アーム体(21)に通してあり、
    ワイヤ(W2,W3,W4)の往路と復路の距離が同方向へ同量ずつ変化しようとする場合には、それぞれの駆動手段(M2,M3,M4)がワイヤの掛け渡し方向へ進退動できるようにして、ワイヤ(W2,W3,W4)の往路と復路へ均等にテンションがかかるようにすることにより、回転または回動する連結部(ja,jb,jc)より先側の回転体(30)または回動アーム体(21,31)の連結部における回転角度は変化しないようにしてあり、
    回転体(20,30)および回動アーム体(21,31)は、それぞれを駆動する駆動手段(M1,M2,M3,M4)により、連結部(ja,jb,jc,jd)において回転または回動する角度を定量的に、かつ独立して制御できるようにしてあることを特徴とする、
    多関節型マニピュレータ。
  2. ワイヤ(W2,W3,W4)は、それぞれが駆動する連結部(jb,jc,jd)に対して基側となる連結部(ja,jc)が回転した場合は、回転体(30)側または回動アーム体(21,31)側のワイヤ固定部(210,308,314)と、駆動手段(M2,M3,M4)側のワイヤ固定部(430,440,450)間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するようにする構造は、
    基側となる回転体(20,30)より先側に設けてある回転体(30)または回動アーム体(21,31)を駆動するワイヤ(W2,W3,W4)の往路と復路を、回転体(20,30)の回転中心軸線に対し対称の位置を通るよう案内する構造を含むことを特徴とする、
    請求項1記載の多関節型マニピュレータ。
  3. ワイヤ(W3,W4)は、それぞれが駆動する連結部(jc,jd)に対して基側となる連結部(jb)が回動した場合は、回転体(30)側または回動アーム体(31)側のワイヤ固定部(308,314)と、駆動手段(M3,M4)側のワイヤ固定部(440,450)間のワイヤの往路と復路の距離が、それぞれ同方向へ同量ずつ変化するようにする構造は、
    回動アーム体(21)より先側に設けてある回転体(30)または回動アーム体(31)を駆動するワイヤ(W3,W4)は、基側となる回動アーム体(21)の回動中心軸(209)の外周または回動中心軸(209)を中心とする円周上に、それぞれに同じ屈曲半径となるように回し掛けて誘導される構造を含むことを特徴とする、
    請求項1記載の多関節型マニピュレータ。
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