JP2006150581A

JP2006150581A - 関節アーム

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Publication number: JP2006150581A
Application number: JP2005219831A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Saito; 保齋藤
Original assignee: Pegasus Sewing Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Pegasus Co Ltd
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: EP1652636A1; US20060086516A1; JP4621560B2; US7536931B2

Abstract

【課題】対象物などの損傷防止を図れる関節アームを提供する。
【解決手段】互いに球継手４を介して屈曲自在に連結された第1アーム部材２および第２アーム部材３を備える。第１アーム部材２に設けた複数個の貫通孔５と、第２アーム部材３に設けた複数個の保持孔６とにわたって圧縮コイルばね８を挿入する。貫通孔５内の圧縮コイルばね８の後端部より後方には支持シャフト１０を進退動自在に挿入する。或る支持シャフト１０がアクチュエータ等により前進動して圧縮コイルばね８を押圧すると共に別の支持シャフト１０を後退動させる。これにより、球継手４を介して、第２アーム部材３を所定の位置に移動させることができる。第２アーム部材３の所定位置での停止状態は支持シャフト１０の変位と圧縮コイルばね８の反発力とのバランスでもって保持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、関節を有するアームに関する。

この種のマニピュレータ用関節アームとして、たとえば、図１０に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照。）。図１０に示される関節アームは、半球状の凹部を有するソケット２０ａとその凹部に転動自在に嵌合するボール２０ｂからなる球継手２０にて連結した第１アーム２１および第２アーム部材２２に、図外の圧力供給源から加圧流体を導入することにより膨径変形し長手方向に収縮する弾性収縮体（アクチュエータ）２３を少なくとも３本を一組として組合せる。各弾性収縮体２３はこれの一端を第１アーム部材２１に、他端を第２のアーム部材２２にそれぞれ連結する。その連結に際しては、各弾性収縮体２３の一端を第１アーム部材２１に固着の取付部材２４にワイヤー２５ａで連結し、他端を第２アーム部材２２にワイヤー２５ｂで連結する。かくして、弾性収縮体２３に加圧流体を給排して各ワイヤー２５ｂに張力を作用させ、球継手２０を介して、第２アーム部材２２を第１アーム部材２１に対して移動させ、所定位置まで移動すると加圧流体給排装置２６によりソケット２０ａの内面とボール２０ｂとの間の隙間に負圧を作用させることで当該位置に停止保持するようにしている。

特公平７−８０１４５号公報

しかるに、上記関節アームでは、第２アーム部材２２の所定停止位置での保持が複数本全てのワイヤー２５ｂの張力でバランスを保つことにより行われるが、不測に、第２アーム部材２２が対象物（障害物）に突き当たると、この衝撃により弾性収縮体２３や対象物に損傷、破損を加える恐れがあった。
また、弾性収縮体（アクチュエータ）２３に加圧流体を給排するための加圧流体給排装置を必要とし、さらに第２アーム部材２２を第１アーム部材２１に対して所定位置まで移動させて当該位置に停止保持するには、ソケット２０ａの内面とボール２０ｂとの間の隙間に負圧を作用させるための加圧流体給排装置２６を必要とするため、全体構造がやや複雑になるという難点もあった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、上記のような、互いに継手を介して屈曲自在に連結された第1アーム部材および第２アーム部材を備える関節アームにおいて、第１アーム部材と第２アーム部材との間に上記のような衝撃を吸収ないし緩和できる弾性体を設けることにより対象物などの損傷防止を図れ、またシンプルな構造の関節アームを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、互いに継手を介して屈曲自在に連結された第1アーム部材および第２アーム部材と、第１アーム部材にその長手方向に設けられた複数個の貫通孔と、第２アーム部材の第１アーム部材と対向する一端面に、前記各貫通孔と向き合うよう設けられた複数個の保持孔と、先端部側が前記保持孔に、後端部側が前記貫通孔にそれぞれ挿入された複数個の弾性体と、前記各貫通孔内の、前記弾性体の後端部より後方に、進退動自在に挿入される複数本の支持シャフトとからなり、複数本の支持シャフトのうち或る支持シャフトが前進動して前記弾性体を第２アーム部材の方向へ押圧すると共に、前進する弾性体に押されて継手を介して屈曲する第２アーム部材に対応して別の支持シャフトが後退動することによって弾性体が後退動するように構成してあることに特徴を有するものである。

ひとつの好適な態様として、本発明による関節アームは、前記複数個の貫通孔が継手の位置を中心とする同心円上に配されるようにするとよい。また前記弾性体には、外側コイルばねと、この外側コイルばねの内側に配される内側コイルばねとを組合せてなる組合せコイルばねを使用することができる。

また、前記各支持シャフトを進退動させるアクチュエータを備えることができる。各アクチュエータは、正逆回転する駆動モータ、該駆動モータのモータ軸に固定されるねじ軸、および該ねじ軸に螺合するナットを備え、前記ナットを前記支持シャフトの後端部より後方に回り止め状態に配備し、前記ねじ軸の回動によるナットの進退動に伴い支持シャフトが進退動するように成すことが望ましい。なお上記関節アームにおいて、更に前記各貫通孔に挿入された支持シャフトを一斉に前進動あるいは後退動できるように構成しておくとよい。

上記構成の関節アームによれば、支持シャフトを進退動させて弾性体を移動させることにより、継手を中心に第２アーム部材を第１アーム部材に対して屈曲させることができ、第２アーム部材が所定位置まで屈曲すると各支持シャフトの進退動は停止し、各支持シャフトの変位と弾性体の反発力とでバランスを保って第２アーム部材を当該位置に停止保持させることができる。つまり、各支持シャフトの変位と弾性体の反発力によって、第２アーム部材の継手を中心とする三次元位置または二次元位置をコントロールできる。

その際、たとえ、第２アーム部材が対象物に突き当たってもこのときの衝撃は弾性体の弾性で吸収ないし緩和することができるので、対象物に損傷、破損を加えるのを防止できる。

弾性体に外側コイルばねと内側コイルばねとの組合せコイルばねを用いることにより、所定のばね定数で滑らかに撓ませることができ、第２アーム部材を滑らかに動かし得て所定位置に確実に移動させることができる。

全ての支持シャフトを一斉に所定量前進させて全ての弾性体を圧縮させておくと、第２アーム部材が対象物に突き当たった際の衝撃の吸収緩和を減少させることができ、逆に全ての支持シャフトを一斉に所定量後退させて全ての弾性体を伸長させておくと、第２アーム部材が対象物に突き当たった際の衝撃の吸収緩和を増大させることができ、これにより対象物などの損傷防止を確実に図ることができる。

各支持シャフトを進退動させるアクチュエータとして、駆動モータとねじ軸およびナットを使用することにより、駆動モータの駆動により第２アーム部材を屈曲させた後、該駆動モータを停止させると該第２アーム部材の前記所定向きに所定角度で屈曲した状態を維持できる。したがって、図１０に示すような、弾性収縮体（アクチュエータ）２３に加圧流体を給排するための加圧流体給排装置や、第２アーム部材２２を第１アーム部材２１に対して所定位置まで移動させて当該位置に停止保持させるための加圧流体給排装置２６を必要とする従来のアクチュエータ２３や関節アームに比べてシンプルな構造にすることができる。

本発明の好適な実施形態を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例を示す関節アームの半欠截断面図、図２は同関節アームの作動説明図、図３は同関節アームの球継手の概略側面図、図４は同関節アームの第２アーム部材の正面図、図５は図１におけるＡ−Ａ線断面図、図６は図１におけるＢ−Ｂ線断面図、図７は図１の関節アームにアクチュエータを備えた状態の外観斜視図、図８は図７におけるＣ−Ｃ線断面図、図９は図１の関節アームの支持シャフトとアクチュエータとの連結部の断面図である。

図１〜図６において、関節アーム１は第1アーム部材２と第２アーム部材３を備える。第１アーム部材と第２アーム部材は、両部材２，３の相対向する端面の中央部同士間に設けた球継手４により、互いに屈曲自在に連結されている。この球継手４は球面滑り軸受を有し、球面滑り軸受は第１アーム部材２の突片２ａに付設された二つ割り外輪２ｂ，２ｂと、第２アーム部材３のスタッド３ａに組み込まれた球状の内輪３ｂからなる。なお二つ割り外輪２ｂ，２ｂは、図３に示されるように、両端に配置されたねじ２ｃ，２ｃで固定されている。

第１アーム部材２には、それぞれが球継手４の位置を中心とする同一円上に等間隔置きに配される複数個（図示例では６個）の貫通孔５がそれぞれ第１アーム部材２の長手方向に貫通するよう平行に穿設されている。
一方、第２アーム部材３の第１アーム部材２と対向する一端面には、各貫通孔５と向き合いかつ貫通孔５と同径同数の保持孔６（図示例では６個）がそれぞれ第２アーム部材３の長手方向に盲孔状に設けられている。各保持孔６の先端側の盲壁にはねじ孔１３を設け、このねじ孔１３にねじ７をねじ込んでいる。

第１アーム部材２の各貫通孔５と第２アーム部材３の各保持孔６にわたって圧縮コイルばね等による弾性体８が挿通される。圧縮コイルばねによる弾性体８は、貫通孔５、保持孔６の内径と略同径の外側コイルばね８ａと、この外側コイルばね８ａの内部に同心に配され、外側コイルばね８ａの内径より小さい外径でかつ外側コイルばね８ａの線径、ピッチより大きい線径、ピッチを持って外側コイルばね８ａよりもばね定数の大きい内側コイルばね８ｂとを組合せてなる組合せコイルばねからなる。この弾性体８の先端部側が保持孔６に、後端部側が貫通孔５にそれぞれ挿入される。

第１アーム部材２の各貫通孔５内における弾性体８の後端部より後方には、支持シャフト１０が進退動自在に挿入され、弾性体８の後端部に支持シャフト１０の先端が当接している。支持シャフト１０の先端が弾性体８の後端部に当接した状態で、弾性体８の先端部は保持孔先端側のねじ７の先端に当接している。各支持シャフト１０は、それぞれの後端側に備えたアクチュエータ１４（図７〜図９参照）が制御部（図示せず）からの信号により駆動することにより貫通孔５内で進退動され、その前進動により弾性体８を第２アーム部材３の方向へ押圧する。

次に、アクチュエータ１４の具体例を図７ないし図９を参照して説明する。アクチュエータ１４は正逆回転する駆動モータ１５、該駆動モータ１５のモータ軸１６に筒形のカップリング１７を介して連結されるボールねじ軸等によるねじ軸１８、および該ねじ軸１８に螺合するボールねじナット等によるナット１９を備える。そして、支持シャフト１０は、ねじ軸１８の外径より大きい内径を有し且つ後方開放状の中空部１０ａを有する中空状に形成され、その中空部１０ａにねじ軸１８の先端側が遊嵌状に挿通される。支持シャフト１０とナット１９とは互いにフリー状態で一体的に結合されていない。

上記アクチュエータ１４は取付部材３３によって支持されている。この取付部材３３は相対向する前後一対の固定板３０，３１を有し、一対の固定板３０，３１は複数本の平行なタイロッド３２で一体的に結合してなる。また取付部材３３は固定板３０，３１の中央部どうし間にナット回止用ロッド３４を一体的に結合し、前側の固定板３０のナット回止用ロッド３４周りには、第１アーム部材２の後端面２ｄから後方へ突出する複数本の支持シャフト１０が貫通し得る複数個の支持シャフト貫通孔３５を列設している。図８に示すように、ナット回止用ロッド３４は支持シャフト１０の本数と同数の辺３４ａを有する断面多角形に形成されている。

而して、図７に示すように、前側の固定板３０は第１アーム部材２の後端面２ｄに一体的に取り付けられ、第１アーム部材２の後端面２ｄから突出する支持シャフト１０は固定板３０の支持シャフト貫通孔３５を貫通する。図７、図９に示すように、後側の固定板３１には支持シャフト１０の本数と同数個の駆動モータ１５がそれぞれ取付ねじ３７で固定される。各駆動モータ１５のモータ軸１６は固定板３１に設けたモータ軸貫通孔３９から該固定板３１の前側に突出されて、各ボールねじ軸１８の後端部１８ｂと筒形のカップリング１７を介して接続される。つまりモータ軸１６およびねじ軸１８の後端部１８ｂとカップリング１７とはそれぞれ押さえねじ４０，４１により固定される。なお、図９のように、固定板３１とカップリングとの間には座金４２が配置され、駆動モータ１５のモータ軸１６は座金４２の中央孔に挿通されている。これによりカップリング１７と取付ねじ３７とが干渉しない。

ナット１９は各支持シャフト１０の後端部より後方へ突出する各ねじ軸１８上に配備され、ナット１９の一端は、図８に示すように、その外周を多角形に形成し、その一辺１９ａを断面多角形のナット回止用ロッド３４の辺３４ａに面接触させて回り止め状態に保持される。これにより複数個のナット１９は１本のナット回止用ロッド３４で回り止め状態に配備することができる。

次に、アクチュエータ１４の駆動について説明する。駆動モータ１５の駆動でモータ軸１６が反時計方向に回転すると、カップリング１７およびねじ軸１８は同方向に回転し、ナット１９は矢印Ｘ方向に前進する。このとき支持シャフト１０は前進するナット１９で押されて前進動する。
駆動モータ１５の駆動でモータ軸１６が時計方向に回転すると、カップリング１７およびねじ軸１８は同方向に回転し、ナット１９は矢印Ｙ方向に後退し、支持シャフト１０の後退動スペースが確保される。この時、球継手４を介して第２アーム部材３が屈曲した状態となっていると、その屈曲側の弾性体８の後退動と共に支持シャフト１０が後退動する。

次に、上記のように構成された関節アーム１の作動について説明する。
いま、図１において、例えば、上側の支持シャフト１０のアクチュエータ１４の駆動により上側の支持シャフト１０を矢印Ｘ方向に前進動させて弾性体８を押圧し圧縮させると共に、下側の支持シャフト１０のアクチュエータ１４の駆動により下側の支持シャフト１０を上側の支持シャフト１０の移動量相当分だけ矢印Ｙ方向に後退させる。すると、図２に示されるように、球継手４を介して、第２アーム部材３を所定の位置に移動させることができる。この位置に移動させるにあたっては図６における６本の支持シャフト１０群のうち近隣３本の支持シャフト１０を前進動させてもよい。この時、残り３本の支持シャフト１０を適宜後退させておく。

第２アーム部材３が所定位置まで移動すると、各支持シャフト１０の動作は停止し、各支持シャフト１０の変位と弾性体８の反発力とのバランスでもって第２アーム部材３の当該位置での停止状態を保持することができる。このように各支持シャフト１０の変位と弾性体８の反発力によって、第２アーム部材３の自在継手からなる球継手４を中心とする三次元位置をコントロールできる。

この第２アーム部材３の移動時に、不慮にも、第２アーム部材３が対象物などに突き当たってもこのときの衝撃は弾性体８の弾性で吸収ないし緩和することができるので、アクチュエータ１４、支持シャフト１０、対象物などに損傷や破損を加えることが軽減される。

アクチュエータ１４として、駆動モータ１５とねじ軸１８およびナット１９を使用することにより、駆動モータ１５の駆動により第２アーム部材３を屈曲させた後、該駆動モータ１５を停止させると該第２アーム部材３の前記所定向きに所定角度で屈曲した状態を維持できることになる。

支持シャフト１０の全てを矢印Ｘ方向に一斉に所定量前進させて全ての弾性体８を圧縮させておくと、第２アーム部材が対象物に突き当たった際の衝撃の吸収緩和を減少させることができ、逆に支持シャフト１０の全てを矢印Ｙ方向に一斉に所定量後退させて全ての弾性体８を伸長させておくと、第２アーム部材が対象物に突き当たった際の衝撃の吸収緩和を増大させることができ、これにより対象物などの損傷防止を確実に図ることができる。なお各支持シャフト１０の一斉の進退動を予め行うようにしておくと、第２アーム部材が対象物に突き当たる前に関節アーム１としての所望の衝撃緩和が調節されることとなる。因みに各支持シャフト１０が一斉の進退動しても第２アーム部材３は球継手４を介して移動しないようにしておく。
また、第１アーム部材２と第２アーム部材３とが共に水平状態になるように使用する際、第２アーム部材３が自重により下がる場合があるが、この場合は下がる側の支持シャフト１０のみを矢印Ｘ方向に前進動させてその弾性体８を圧縮させることで第２アーム部材３を自重に抗して水平状態に保持することができる。

上記実施例では、支持シャフト１０とナット１９とは互いにフリー状態で一体的に結合されていないが、支持シャフト１０の後端部にナット１９を一体に形成するものであってもよい。
また、第１アーム部材２と第２アーム部材３を連結する継手として、第２アーム部材３の三次元位置をコントロールできるように上下・前後にも屈曲可能な球継手４など自在継手を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第２アーム部材３の二次元位置をコントロールできるように上下または前後のみに屈曲可能な肘継手（例えば、ＪＩＳＴ９２１９又はＪＩＳＴ９２２０に記載の継手）などを用いるものであってもよい。

本発明の一実施例を示す関節アームの半欠截断面図である。同関節アームの作動説明図である。同関節アームの球継手の概略側面図である。同関節アームの第２アーム部材の正面図である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。図１の関節アームにアクチュエータを備えた状態の外観斜視図である。図７におけるＣ−Ｃ線断面図である。図１の関節アームの支持シャフトとアクチュエータとの連結部の断面図である。従来例の関節アームの概略構成図である。

符号の説明

１関節アーム
２第１アーム部材
３第２アーム部材
４継手（球継手）
５貫通孔
６保持孔
８弾性体（圧縮コイルばね）
８ａ外側コイルばね
８ａ内側コイルばね
１０支持シャフト
１４アクチュエータ
１５駆動モータ
１６モータ軸
１８ねじ軸
１９ナット

Claims

互いに継手を介して屈曲自在に連結された第1アーム部材および第２アーム部材と、第１アーム部材にその長手方向に設けられた複数個の貫通孔と、第２アーム部材の第１アーム部材と対向する一端面に、前記各貫通孔と向き合うよう設けられた複数個の保持孔と、先端部側が前記保持孔に、後端部側が前記貫通孔にそれぞれ挿入された複数個の弾性体と、前記各貫通孔内の、前記弾性体の後端部より後方に、進退動自在に挿入される複数本の支持シャフトとからなり、複数本の支持シャフトのうち或る支持シャフトが前進動して前記弾性体を第２アーム部材の方向へ押圧すると共に、前進する弾性体に押されて継手を介して屈曲する第２アーム部材に対応して別の支持シャフトが後退動することによって弾性体が後退動するように構成してあることを特徴とする、関節アーム。
複数個の貫通孔が継手の位置を中心とする同心円上に配される、請求項１記載の関節アーム。
前記弾性体が、外側コイルばねと、この外側コイルばねの内側に配される内側コイルばねとを組合せてなる組合せコイルばねからなる、請求項１又は２記載の関節アーム。
前記各支持シャフトを進退動させるアクチュエータを備えている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の関節アーム。
前記各アクチュエータは、正逆回転する駆動モータ、該駆動モータのモータ軸に固定されるねじ軸、および該ねじ軸に螺合するナットを備え、前記ナットを前記支持シャフトの後端部より後方に回り止め状態に配備し、前記ねじ軸の回動による前記ナットの進退動に伴い前記支持シャフトが進退動するように構成してある、請求項４記載の関節アーム。
互いに継手を介して屈曲自在に連結された第1アーム部材および第２アーム部材と、第１アーム部材にその長手方向に設けられた複数個の貫通孔と、第２アーム部材の第１アーム部材と対向する一端面に、前記各貫通孔と向き合うよう設けられた複数個の保持孔と、先端部側が前記保持孔に、後端部側が前記貫通孔にそれぞれ挿入された複数個の弾性体と、前記各貫通孔内の、前記弾性体の後端部より後方に、進退動自在に挿入される複数本の支持シャフトとからなり、複数本の支持シャフトのうち或る支持シャフトが前進動して前記弾性体を第２アーム部材の方向へ押圧すると共に、前進する弾性体に押されて継手を介して屈曲する第２アーム部材に対応して別の支持シャフトが後退動することによって弾性体が後退動するように構成するとともに、前記各貫通孔に挿入された支持シャフトを一斉に前進動あるいは後退動できるように構成してあることを特徴とする、関節アーム。