JP2006181690A

JP2006181690A - 関節構造体

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Publication number: JP2006181690A
Application number: JP2004379649A
Authority: JP
Inventors: Yasunao Okazaki; 安直岡▲崎▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP4397805B2

Abstract

【課題】関節の動きに影響を受けず駆動力を伝達することが可能な関節構造体及び該関節構造体を備えるロボットアームを提供する。
【解決手段】第１平行リンク９−１と、第２平行リンク１１−１と、第１回転ガイドプーリ８−１と、直径が第１回転ガイドプーリと略等しい第２回転ガイドプーリ１０−１とを備え、第１回転ガイドプーリ８−１、第２回転ガイドプーリ１０−１、第２構造体２の順にワイヤ７−１を渡す。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ロボットアーム等の機械装置の関節構造体及び該関節構造体を備えるロボットアームに関する。

従来、多関節のロボットアームでは関節を駆動するアクチュエータを関節部やその近傍に配設する構造が通常であるが、このような構造では人間型アームの手首等の手先に近い部分に重量の大きいモーター等が配設されることになることから手先の慣性が大きくなり、手先の位置制御性能向上の障害となったり、衝突時に大きな衝撃を与えることになり、安全面で考慮しなければならない。

このような問題に対し、駆動する関節から根元に近い部分にアクチュエータを離して配設し、ワイヤにより駆動力を伝達するワイヤ駆動方式のロボットアームが開発されている。ワイヤ駆動方式のロボットアームは、手先を軽量に構成できるため、高速駆動が可能である等、優れた特徴を有している。

しかし、ワイヤ駆動方式のロボットアームでは、より手先側の慣性を小さくするために、アームが取り付けられた基盤部である胴体部にアクチュエータを配設し、手首部を駆動する場合など、ワイヤの取り回し距離を長くする場合、人間型アームの肘等、途中で関節を越えてワイヤを配設する必要が生じる。この場合、途中にある関節の運動が駆動されると、ワイヤの経路長が変化する等し、ワイヤにより駆動される手首などの先の部分の関節の運動が影響を受けてしまうという問題が生じる。

この問題に対しては、特許文献１において、関節の回転中心と偏位するように配設された一対のガイドプーリを有する構成が開示されている。また、特許文献２において、関節の運動に伴い回転中心が回転運動するワイヤガイドプーリを有する構成が開示されている。

特許第３２９０７０９号公報特公平６−７７９１４号公報

しかしながら、上記特許文献１および上記特許文献２の構成は、ともに、関節軸付近をワイヤが通過する構造であるため、関節軸付近に、関節を動作させるための歯車や、関節角度を測定するためのエンコーダ等を設置しなければならない場合、これらの構造を採ることはできない。

本発明の目的は、上記従来の関節機構の課題を解決し、関節軸付近にワイヤを通すことなく、関節の動きに影響を受けず駆動力を伝達することが可能な関節構造体及び該関節構造体を備えるロボット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、本発明は以下のように構成する。

本発明の態様によれば、第１構造体と、第２構造体と、第３構造体と、上記第１構造体と上記第２構造体を相対回転可能に接続する第１回転関節と、上記第１回転関節の回転軸と回転軸が略直交し、上記第２構造体と上記第３構造体を相対回転可能に接続する第２回転関節と、（それぞれの）一端が上記第１構造体と相対回転可能に接続され、かつ上記第２構造体と（それぞれ）略平行に配設された（一対の）第１平行リンクと、（それぞれの）一端が上記第２構造体と相対回転可能に接続され、（それぞれの）他端が上記第１平行リンクの他端と相対回転可能に接続され、かつ上記第１構造体と（それぞれ）略平行に配設された（一対の）第２平行リンクと、上記第１構造体と上記第１平行リンクの接続部分に相対回転可能に（それぞれ）配設された（一対の）第１回転ガイドプーリと、上記第１平行リンクと上記第２平行リンクの接続部分に相対回転可能に（それぞれ）配設された（一対の）第２回転ガイドプーリと、上記第１回転ガイドプーリ、上記第２回転ガイドプーリ、上記第２構造体の順に（それぞれ）渡され、上記第３構造体に（それぞれの）一端が固定された（一対の）ワイヤと、上記第１構造体に備えられて、上記（一対の）ワイヤの（それぞれの）他端が固定されて上記ワイヤを（それぞれ）駆動可能で、かつ、上記ワイヤを駆動することにより、上記第２構造体に対して上記第３構造体を相対的に回転させるワイヤ駆動装置とを有することを特徴とする関節構造体を提供する。

本発明によれば、第１回転ガイドプーリー、第２回転ガイドプーリーによりワイヤーが誘導される構成とすることにより、第１回転関節の回転運動に影響を受けることなく、第１構造体に配設されたワイヤ駆動装置例えばアクチュエータの駆動力を、第１回転関節を越え、ロボットアームの先端側（例えば、手首などの先の部分（例えばハンド））に伝達することが可能となる。

したがって、第２回転関節回りの運動を駆動するワイヤ駆動装置例えばアクチュエータを、ロボットアームの根元側に配設することができ、ロボットアームの先端側の慣性が小さくなり、位置制御や力制御に関する制御性能が向上するとともに、高速に動作させることも可能となる。また、慣性が小さいことから運動エネルギーも小さくなり、衝突時の安全性も向上する。

また、第１平行リンク、第２平行リンク、第１構造体、第２構造体により平行リンク構造を構成するため、ワイヤが第１回転関節付近を経由せず、関節構造を簡潔にすることができ、関節などの回転部分の回転角度を検出するエンコーダ等の配設が容易になる。

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。

本発明の第１態様によれば、第１構造体と、第２構造体と、第３構造体と、上記第１構造体と上記第２構造体を相対回転可能に接続する第１回転関節と、上記第１回転関節の回転軸と回転軸が略直交し、上記第２構造体と上記第３構造体を相対回転可能に接続する第２回転関節と、（それぞれの）一端が上記第１構造体と相対回転可能に接続され、かつ上記第２構造体と（それぞれ）略平行に配設された（一対の）第１平行リンクと、（それぞれの）一端が上記第２構造体と相対回転可能に接続され、（それぞれの）他端が上記第１平行リンクの他端と相対回転可能に接続され、かつ上記第１構造体と（それぞれ）略平行に配設された（一対の）第２平行リンクと、上記第１構造体と上記第１平行リンクの接続部分に相対回転可能に（それぞれ）配設された（一対の）第１回転ガイドプーリと、上記第１平行リンクと上記第２平行リンクの接続部分に相対回転可能に（それぞれ）配設された（一対の）第２回転ガイドプーリと、上記第１回転ガイドプーリ、上記第２回転ガイドプーリ、上記第２構造体の順に（それぞれ）渡され、上記第３構造体に（それぞれの）一端が固定された（一対の）ワイヤと、上記第１構造体に備えられて、上記（一対の）ワイヤの（それぞれの）他端が固定されて上記ワイヤを（それぞれ）駆動可能で、かつ、上記ワイヤを駆動することにより、上記第２構造体に対して上記第３構造体を相対的に回転させるワイヤ駆動装置とを有することを特徴とする関節構造体を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記（それぞれの）ワイヤは、上記第１回転ガイドプーリの上記第１平行リンクが配設された側から掛けられ、上記第２構造体から遠い側から上記第２回転ガイドプーリへと渡され、上記第２回転ガイドプーリの上記第２構造体から遠い側から掛けられ、上記第１構造体から遠い側から上記第３構造体へと渡されることを特徴とする第１の態様に記載の関節構造体を提供する。

本発明の第３態様によれば、第１又は２の態様に記載の関節構造体と、
上記第３構造体の上記第２回転関節側とは反対側の先端に配置されたハンドとを備えて、
上記ワイヤ駆動装置の駆動により、上記第２構造体に対して、上記第３構造体と上記ハンドが相対的に回転するようにしたことを特徴とするロボットアームを提供する。

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。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態にかかる関節構造体を示す全体図である。図１Ａ及び図１Ｂでは、第１実施形態にかかる関節構造体をロボットアーム１００に応用した場合を例に構造を示している。

図１Ａ及び図１Ｂにおいては、１はロッド状の第１構造体であり、ロボットアーム１００の上腕部を形成している。２はロッド状の第２構造体であり、ロボットアーム１００の前腕部の一部を形成している。第１構造体１と第２構造体２は第１回転関節３により接続されており、第１回転関節３の関節軸３ａを中心として第１構造体１と第２構造体２は相対的に正逆回転可能である。一例として、図１Ｂに示すように、第２構造体２の第１回転関節側端部が二股に分岐した分岐部２ａに形成されており、この分岐部２ａ内に第１構造体１の下端部が挟み込まれて、関節軸３ａに対して相対回転自在に接続されるようにしている。

４−１、４−２は、それぞれ第１駆動装置の一例として第１直動アクチュエータを構成可能な、例えば空気圧人工筋等の２本の第１直動アクチュエータであり、第１構造体１の上端部に固定された支持板１ａに２本の第１直動アクチュエータ４−１、４−２の上端部がそれぞれ固定されている。２本の第１直動アクチュエータ４−１、４−２の下端部が、第２構造体２にそれぞれの基端部が固定された回転ジョイント５−１、５−２の回動端にそれぞれ回転自在に連結されることにより、２本の第１直動アクチュエータ４−１、４−２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３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にロッド状の回転ジョイント５−１、５−２の基端部が固定され、当該ジョイント５−１、５−２の先端部に第１直動アクチュエータ４−１、４−２の下端部が回転自在に連結されている。回転ジョイント５−１とジョイント５−２とは、第１回転関節３の回転軸３ａ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４−１の下端部が上昇しかつ第１直動アクチュエータ４−２の下端部が下降すると、第２構造体２は第１回転関節３の回転軸３ａ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４−１の下端部が下降しかつ第１直動アクチュエータ４−２の下端部が上昇すると、第２構造体２は第１回転関節３の回転軸３ａ回りに反時計回りに回動する。

６−１、６−２（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６−１、奥側の第２直動アクチュエータを６−２とする。）は、それぞれ第２駆動装置（ワイヤ駆動装置）の一例として第２直動アクチュエータを構成可能な、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であり、２本の第２直動アクチュエータ６−１、６−２により、第２直動アクチュエータ６−１、６−２の下端にそれぞれの端部が固定されたアーム屈曲用ワイヤー７−１、７−２を引張り駆動する。

上記直動アクチュエータ４−１、４−２、６−１、６−２を構成するそれぞれの空気圧人工筋は、図２に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体１５の外表面に繊維コードで構成された拘束部材１６が配設され、管状弾性体１５の両端部を封止部材１７でそれぞれ気密封止する構造となっている。管状弾性体１５の一方の端部の封止部材１７に設けられた流体注入出部材１８を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１５内に供給することにより内圧を管状弾性体１５の内部空間に与えると、管状弾性体１５が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材１６の作用により、管状弾性体１５の中心軸方向の運動に変換され、管状弾性体１５の全長が収縮する。逆に、流体注入出部材１８を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１５内から排出することにより管状弾性体１５の内部空間の圧力を下げると、管状弾性体１５が主に半径方向に収縮しようとするが、拘束部材１６の作用により、管状弾性体１５の中心軸方向の運動に変換され、管状弾性体１５の全長が伸張する。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。

８−１、８−２はガイド溝８ａ付き第１回転ガイドプーリーであり、第１構造体１を挟んで対向しかつ第１構造体１の長手方向沿いに第１回転関節３の回転軸３ａより第１構造体１の上端部側にずれたそれぞれの位置に配設されており、第１構造体１に固定された回転軸８−１ａ、８−２ａ回りにそれぞれ自在に回転運動可能である。図１Ａにおいては、奥側の第１回転ガイドプーリー８−２は手前側の第１回転ガイドプーリー８−１の影となるため図示されていないが、図１Ｂには図示されている。

９−１、９−２はそれぞれ第２構造体２に平行に配置される第１平行リンクであり、一端が軸受けを介して第１回転ガイドプーリー８−１、８−２の回転軸８−１ａ、８−２ａに回転自在に支持されることにより第１構造体１に回動自在に接続されており、第１構造体１、第１回転ガイドプーリー８−１、８−２に対して相対的に揺動運動可能である。図１Ａにおいて奥側の第１平行リンク９−２は手前側の第１平行リンク９−１の影となるため図示されていないが、図１Ｂには図示されている。

１０−１、１０−２は、直径が第１回転ガイドプーリと略等しくかつガイド溝１０ａ付き第２回転ガイドプーリーであり、第１平行リンク９−１、９−２の第１構造体１に接続された端部とは反対の端部に軸受けを介して回転軸１０−１ａ、１０−２ａによって回転自在に接続されており、回転軸１０−１ａ、１０−２ａ回りに、第１平行リンク９−１、９−２に対し相対的に回転運動可能である。図１Ａにおいて奥側の第２回転ガイドプーリー１０−２は手前側の第２回転ガイドプーリー１０−１の影となるため図示されていないが、図１Ｂには図示されている。

１１−１、１１−２はそれぞれ第１構造体１に平行に配置される第２平行リンクであり、一端が軸受けを介して第２回転ガイドプーリー１０−１、１０−２の回転軸１０−１ａ、１０−２ａに回転自在に支持されることによって第１平行リンク９−１、９−２と回転自在に接続されている。よって、第２平行リンク１１−１、１１−２は、第１平行リンク９−１、９−２、第２回転ガイドプーリー１０−１、１０−２に対して相対的に揺動運動可能である。

また、第２平行リンク１１−１、１１−２のもう一端は、第２構造体２に対して支点１１−１ａ、１１−２ａの一例としての支点軸に、軸受けを介して回転自在に接続されており、第２構造体２に対して相対的に揺動運動可能である。図１Ａにおいて奥側の第２平行リンク１１−２は手前側の第２平行リンク１１−１の影となるため図示されていないが、図１Ｂには図示されている。

上記説明した第１平行リンク９−１、９−２および第２平行リンク１１−１、１１−２と第１構造体１および第２構造体２とにより、平行リンク構造を構成している。

１２はロッド状の第３構造体であり、第２回転関節１３により第２構造体２と接続されており、第２構造体２の端部から突出した回転軸１３ａが第３構造体２の凹部内に配置された軸受け１３ｂで回転自在に連結支持されることにより、第２構造体２に対して、第２構造体２の長手方向沿いの回転軸１３ａまわりに相対的に回転運動可能である。また、第３構造体１２の第２構造体側の端部には、アーム屈曲用ワイヤ７−１、７−２の一端がそれぞれワイヤ固定点１２ａ−１、１２ａ−２において固定されている。図１Ａにおいて奥側のワイヤ固定点１２ａ−２は、第３構造体１２を挟んで手前側のワイヤ固定点１２ａ−１の反対側に位置し、第３構造体１２の影となるため図示されていないが、図１Ｂには図示されている。

１４は物品等を把持するためのハンドであり第３構造体１２の先端に配設されている。

次に、第１回転ガイドプーリー８−１、第２回転ガイドプーリー１０−１に対するアーム屈曲用ワイヤ７−１の経路について、図６に基づいて説明する。なお、それぞれのプーリーに対しては、それぞれのガイド溝内にワイヤが収納されるように掛け回されているが（図１Ｂ参照）、以下の説明では、ガイド溝については説明を省略する。

第２直動アクチュエータ６−１の下端に一端が固定されたアーム屈曲用ワイヤ７−１は、第１回転ガイドプーリー８−１へと導かれ、第１平行リンク９−１が配設された側から第１回転ガイドプーリー８−１へと架けられ（矢印（１）参照）、第１回転ガイドプーリー８−１を略４分の３周した後、第２回転ガイドプーリー１０−１の方へと導かれる（矢印（２）参照）。

第２回転ガイドプーリー１０−１に対して、アーム屈曲用ワイヤ７−１は第２構造体２に遠い側から架けられ（矢印（３）参照）、方向を曲げられた後、第３構造体１２の方へと導かれた後、ワイヤ固定点１２ａ−１にワイヤ固定ピンなどによって第３構造体１２へ固定される。

第１回転ガイドプーリー８−２、第２回転ガイドプーリー１０−２に対するアーム屈曲用ワイヤ７−２の経路も、上記のアーム屈曲用ワイヤ７−１の経路と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図３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３において、１９は例えばコンプレッサー等の空気圧源、２０は空気圧フィルタ２０ａ、空気圧減圧弁２０ｂ、及び空気圧用ルブリケータ２０ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。２１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。２２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２２ａが搭載されており、５ポート流量制御電磁弁２１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１８を流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。

図３に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源１９により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２０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２１に供給される。５ポート流量制御電磁弁２１の開度は、制御コンピュータ２２よりＤ／Ａボード２２ａ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２１には、一対の空気圧人工筋２０１−１，２０１−２の管状弾性体１５の流体注入出部材１８がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋２０１−１，２０１−２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１５の流体注入出部材１８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２０１−１，２０１−２の管状弾性体１５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２０１−１，２０１−２の管状弾性体１５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２０１−１，２０１−２のそれぞれの管状弾性体１５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。

制御コンピュータ２２より正の電圧指令値がＤ／Ａボード２２ａから５ポート流量制御電磁弁２１に入力された場合には、図３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２０１−１の管状弾性体１５の流体注入出部材１８側への流路が５ポート流量制御電磁弁２１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２０１−１側に供給される。また、空気圧人工筋２０１−２側は、管状弾性体１５の流体注入出部材１８から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２１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２０１−２側から大気中へ排気される。したがって、図３に示すように、空気圧人工筋２０１−１の全長が縮み、空気圧人工筋２０１−２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。

一方、制御コンピュータ２２より負の電圧指令値がＤ／Ａボード２２ａから５ポート流量制御電磁弁２１に入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２１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２０１−２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１９側から空気圧人工筋２０１−２の管状弾性体１５の流体注入出部材１８側への流路が５ポート流量制御電磁弁２１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２０１−１側に供給される。また、空気圧人工筋２０１−１側は、管状弾性体１５の流体注入出部材１８から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２１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２０１−１側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋２０１−２の全長が縮み、空気圧人工筋２０１−１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。

以上の構成の関節構造体の動作について説明する。

図４Ａ，図４Ｂは本発明の第１実施形態における関節構造体の動作をそれぞれ示す図である。

上記したように、２本の第１直動アクチュエータ４−１、４−２は、図１Ａの左側の第１直動アクチュエータ４−１と図１Ａの右側の別の第１直動アクチュエータ４−２が第１構造体１を挟んで第１回転関節３に関して対向するように回転ジョイント５−１、５−２により第２構造体２に接続されている。したがって、図１Ａ（又は図４Ａ）の左側の第１直動アクチュエータ４−１が伸張し、図１Ａ（又は図４Ａ）の右側の別の第１直動アクチュエータ４−２が収縮すれば、図４Ａに示されるように、第１回転関節３の回転軸３ａ回りの反時計方向の回転運動が発生する。逆に、図１Ａ（又は図４Ａ）の左側の第１直動アクチュエータ４−１が収縮し、図１Ａ（又は図４Ａ）の右側の別の第１直動アクチュエータ４−２が伸張すれば、第１回転関節３の回転軸３ａ回りの時計方向の回転運動が発生する。

ここで、本発明の第１実施形態の特徴は、第１回転ガイドプーリー８−１、８−２、第２回転ガイドプーリー１０−１、１０−２、第１平行リンク９−１、９−２、第２平行リンク１１−１、１１−２により構成される機構により、アーム屈曲用ワイヤー７−１、７−２が誘導されている点にある。その作用を図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。

上記したように、第１直動アクチュエータ４−１，４−２の動作により、図４Ａに示すように第２構造体２の第１回転関節３の回転軸３ａ回りの反時計方向の回転運動が発生した場合、図５Ａの矢印Ａの点線で示す位置に第２回転ガイドプーリー１０−１は移動する。この時、アーム屈曲用ワイヤー７−１が第１回転ガイドプーリー８−１に接触する量は、角度αに相当する円周分だけ減少するが、アーム屈曲用ワイヤー７−１が第２回転ガイドプーリー１０−１に接触する量が角度αに相当する円周分だけ増加するため、互いに打ち消し合う。

以上のワイヤ誘導動作は、第１回転ガイドプーリー８−２、第２回転ガイドプーリー１０−２によるアーム屈曲用ワイヤー７−２の誘導でも同様である。したがって、第１回転関節３の回転軸３ａ回りの回転運動によるアーム屈曲用ワイヤー７−１、７−２の経路長の変化は少なく、ワイヤ固定点１２ａ−１、１２ａ−２によりアーム屈曲用ワイヤー７−１、７−２と接続された第３構造体１２の第２回転関節１３の回転軸１３ａ回りの運動への影響は少ない。

一方、第２直動アクチュエータ６−１を収縮させ、第２直動アクチュエータ６−２を伸張させた場合、アーム屈曲用ワイヤ７−１は、図５Ｂの矢印Ｂで示すように引っ張られ、第１回転ガイドプーリー８−１は矢印Ｃで示すように反時計方向の回転運動を行い、また、第２回転ガイドプーリー１０−１は矢印Ｄで示すように反時計方向の回転運動を行い、アーム屈曲用ワイヤ７−１を第２直動アクチュエータ６−１側へと送り出す。したがって、アーム屈曲用ワイヤ７−１は矢印Ｅに示すように第３構造体のワイヤ固定点１２ａ−１を引っ張るような駆動力を発生する。

このとき、第２直動アクチュエータ６−２側では第２直動アクチュエータ６−２が伸張させられているので、第１回転ガイドプーリー８−２、第２回転ガイドプーリー１０−２によるアーム屈曲用ワイヤー７−２の誘導では、アーム屈曲用ワイヤー７−２の動作はアーム屈曲用ワイヤ７−１と逆になり、ワイヤ固定点１２ａ−２に対して、ワイヤ７−２を緩めるような動作となる。

したがって、図４Ｂ及び図５Ｂに示すように、アーム屈曲用ワイヤ７−１、アーム屈曲用ワイヤ７−２により、第３構造体１２は矢印Ｆで示すように、第２構造体２に対する第２回転関節１３回りの、ハンド１４側から見て反時計回りの相対的な回転運動を行う。

これに対して、第２直動アクチュエータ６−２を収縮させ、第２直動アクチュエータ６−１を伸張させた場合、アーム屈曲用ワイヤ７−２は、先の場合と同様に、図５Ｂの矢印Ｂで示すように引っ張られ、第１回転ガイドプーリー８−２は矢印Ｃで示すように反時計方向の回転運動を行い、また、第２回転ガイドプーリー１０−２は矢印Ｄで示すように反時計方向の回転運動を行い、アーム屈曲用ワイヤ７−２を第２直動アクチュエータ６−２側へと送り出す。したがって、アーム屈曲用ワイヤ７−２は矢印Ｅに示すように第３構造体のワイヤ固定点１２ａ−２を引っ張るような駆動力を発生する。

このとき、第２直動アクチュエータ６−１側では第２直動アクチュエータ６−１が伸張させられているので、第１回転ガイドプーリー８−１、第２回転ガイドプーリー１０−１によるアーム屈曲用ワイヤー７−１の誘導では、アーム屈曲用ワイヤー７−１の動作はアーム屈曲用ワイヤ７−２と逆になり、ワイヤ固定点１２ａ−１に対して、ワイヤ７−１を緩めるような動作となる。

したがって、図４Ｂ及び図５Ｂとは逆に、アーム屈曲用ワイヤ７−２、アーム屈曲用ワイヤ７−１により、第３構造体１２は矢印Ｆとは逆の方向に、第２構造体２に対する第２回転関節１３回りの、ハンド１４側から見て時計回りの相対的な回転運動を行う。

以上のように、本発明の第１実施形態の関節構造体によれば、第１回転ガイドプーリー８−１、８−２、第２回転ガイドプーリー１０−１、１０−２によりアーム屈曲用ワイヤー７−１、７−２が誘導される構成とすることにより、第１回転関節３の回転軸３ａ回りの回転運動に影響を受けることなく、第１構造体１に配設された第２直動アクチュエータ６−１、６−２の駆動力を、第１回転関節３を越えて、ロボットアーム１００の先端側のハンド側に伝達することが可能となる。

したがって、第２回転関節１３回りの運動を駆動するアクチュエータを、第２直動アクチュエータ６−１、６−２のように、ロボットアーム１００の根元側に配設することができ、ロボットアーム１００の先端側の慣性が小さくなり、位置制御や力制御に関する制御性能が向上するとともに、高速に動作させることも可能となる。また、慣性が小さいことから運動エネルギーも小さくなり、衝突時の安全性も向上する。

また、本発明の第１実施形態の関節構造体によれば、第１平行リンク９−１、９−２、第２平行リンク１１−１、１１−２、第１構造体１、第２構造体２とにより平行リンク構造を構成するため、アーム屈曲用ワイヤ７−１、アーム屈曲用ワイヤ７−２が第１回転関節３付近を経由せず、関節構造を簡潔にすることができ、エンコーダ等の配設が容易になる。

なお、この第１実施形態では、一例として、第１構造体１に対して第２構造体２は、図１Ａの姿勢から、回転軸３ａまわりに時計方向及び反時計方向に６０度程度ずつ回転可能であり、第２構造体２に対して第３構造体３及びハンド１２も、図１Ａの姿勢から、回転軸１３ａまわりに時計方向及び反時計方向に６０度程度ずつ回転可能となっている。

なお、上記の実施形態では、ロボットアーム１００を駆動するアクチュエータを直動アクチュエータとしたが、これに限られるわけではなく、回転型の電動モータであっても、例えば、モータの回転軸にプーリを固定し、モータの回転によりワイヤを巻き取る構造等でも同様の効果を発揮する。

また、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。

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。

本発明の関節構造体は、多関節ロボットアームの関節構造体及び該関節構造体を備えるロボットアームとして有用である。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機構等、機械装置の関節機構における関節構造体として適用が可能である。

本発明の第１実施形態における関節構造体の構造の大略全体を示す平面図である。本発明の第１実施形態における関節構造体の構造の大略全体を示す底面図である。本発明の第１実施形態における関節構造体の駆動装置の一例として直動アクチュエータを構成可能な空気圧人工筋の構造を示す図である。上記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。本発明の第１実施形態における関節構造体の動作を示す図である。本発明の第１実施形態における関節構造体の動作を示す図である。本発明の第１実施形態における関節構造体ワイヤ誘導動作を示す図である。本発明の第１実施形態における関節構造体のワイヤ誘導動作を示す図である。本発明の第１実施形態における関節構造体のプーリーへのワイヤの掛け回しを説明するための説明図である。

符号の説明

１第１構造体
１ａ支持板
２第２構造体
３第１回転関節
３ａ第１回転関節の回転軸
４−１、４−２第１直動アクチュエータ
５−１、５−２ジョイント
６−１、６−２第２直動アクチュエータ
７−１、７−２アーム屈曲用ワイヤー
８−１、８−２第１回転ガイドプーリー
８−１ａ、８−２ａ第１回転ガイドプーリーの回転軸
９−１、９−２第１平行リンク
１０−１、１０−２第２回転ガイドプーリー
１０−１ａ、１０−２ａ第２回転ガイドプーリーの回転軸
１１−１、１１−２第２平行リンク
１１−１ａ、１１−２ａ第２平行リンクの支点
１２第３構造体
１２ａ−１、１２ａ−２第３構造体のワイヤ固定点
１３第２回転関節
１３ａ第２回転関節の回転軸
１３ｂ軸受け
１４ハンド
１５管状弾性体
１６拘束部材
１７封止部材
１８流体注入出部材
１９空気圧源
２０空気圧調整ユニット
２０ａ空気圧フィルタ
２０ｂ空気圧減圧弁
２０ｃ空気圧用ルブリケータ
２１５ポート流量制御電磁弁
２２制御コンピュータ
２２ａＤ／Ａボード

１００ロボットアーム
２００関節軸
２０１−１, ２０１−２空気圧人工筋
２０２支持板
２０３支持棒
２０４回動部材

Claims

第１構造体と、
第２構造体と、
第３構造体と、
上記第１構造体と上記第２構造体を相対回転可能に接続する第１回転関節と、
上記第１回転関節の回転軸と回転軸が略直交し、上記第２構造体と上記第３構造体を相対回転可能に接続する第２回転関節と、
一端が上記第１構造体と相対回転可能に接続され、かつ上記第２構造体と略平行に配設された第１平行リンクと、
一端が上記第２構造体と相対回転可能に接続され、他端が上記第１平行リンクの他端と相対回転可能に接続され、かつ上記第１構造体と略平行に配設された第２平行リンクと、
上記第１構造体と上記第１平行リンクの接続部分に相対回転可能に配設された第１回転ガイドプーリと、
上記第１平行リンクと上記第２平行リンクの接続部分に相対回転可能に配設された第２回転ガイドプーリと、
上記第１回転ガイドプーリ、上記第２回転ガイドプーリ、上記第２構造体の順に渡され、上記第３構造体に一端が固定されたワイヤと、
上記第１構造体に備えられて、上記ワイヤの他端が固定されて上記ワイヤを駆動可能で、かつ、上記ワイヤを駆動することにより、上記第２構造体に対して上記第３構造体を相対的に回転させるワイヤ駆動装置とを有することを特徴とする関節構造体。
上記ワイヤは、上記第１回転ガイドプーリの上記第１平行リンクが配設された側から掛けられ、上記第２構造体から遠い側から上記第２回転ガイドプーリへと渡され、上記第２回転ガイドプーリの上記第２構造体から遠い側から掛けられ、上記第１構造体から遠い側から上記第３構造体へと渡されることを特徴とする請求項１に記載の関節構造体。
請求項１又は２に記載の関節構造体と、
上記第３構造体の上記第２回転関節側とは反対側の先端に配置されたハンドとを備えて、
上記ワイヤ駆動装置の駆動により、上記第２構造体に対して、上記第３構造体と上記ハンドが相対的に回転するようにしたことを特徴とするロボットアーム。