JP2006247804A

JP2006247804A - ロボットアーム

Info

Publication number: JP2006247804A
Application number: JP2005070263A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tamamoto; 淳一玉本; Fujio Tajima; 不二夫田島; Yuji Hosoda; 祐司細田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP4512194B2

Abstract

【解決手段】
ロボットアーム１は、回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含む。関節部を挟んで駆動モータと被駆動関節部を配置する。駆動モータと被駆動関節部をワイヤで連結する。関節部の屈曲軸にワイヤを案内するワイヤガイドプーリを２個設ける。ワイヤを屈曲内側と外側に振り分けて巻きつけた。
【効果】
ロボットアームの先端側の重量を削減でき、アクチュエータを小型化することができる。また、関節機構の駆動負荷とガタ角度を適正化できる。さらに、機構部をカバーで覆うことにより、関節機構への人体の進入事故を防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばヒューマノイド型ロボットに用いられる、リンク部材を折りたたむように屈曲する関節機構を備えるロボットアームに関する。

回転自由に連結されたリンク部材を折りたたむように動作する屈曲関節機構の例として、例えば特許文献１に示されるロボット関節構造がある。ここでは、ナットとネジのリンク部材を用いた屈曲関節構造が示されている。

特開２００２−１１３６８１号公報

ロボットアームは、複数のリンク部材および可動部を直列に連結した構造である。そのため、ある可動部を駆動するアクチュエータは、隣接した先端側の可動部およびアクチュエータを含めて駆動する構造となる。従って、先端から根元に近づくにつれ、累乗的に大きい駆動力を有するアクチュエータが要求される。一方、可動部におけるガタつきは、各可動部を経るごとに、先端側で累積的に増大される。また、可動部には動作のための機構部品が集中するが、これらへの人体の巻き込み等の事故にも注意を払う必要がある。

上記の課題を解決するため、回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記関節部を挟んで駆動モータと被駆動関節部を配置し、前記駆動モータと前記被駆動関節部はワイヤで連結され、前記関節部の屈曲軸に前記ワイヤを案内するワイヤガイドプーリを２個備え、前記ワイヤを屈曲内側と外側に振り分けて巻きつけてある関節部として、先端側の慣性重量を低減した。

また、前記関節部は互いに歯車で回転拘束された２つの屈曲軸で回転屈曲し、前記２つの屈曲軸はプレートで連結され、前記プレートは一方の前記屈曲軸の中心は固定であり、他方の前記屈曲軸を貫通する穴に、前記一方の屈曲軸の反対側へスリットを備え、前記スリットを閉じるように閉めることによって、前記一方の屈曲軸へ前記他方の屈曲軸を近接するプレートである関節部として、ガタを低減した。

さらに、前記関節部の屈曲の内側と外側にカバーシートを備え、前記カバーシートは一端が前記リンク部材に固定され、他端が互いに連結されているカバーシートである関節部として、人体の巻き込み等の事故を防止する。

本発明により、ロボットアームの先端側の重量を削減できアクチュエータの小型化を図ることができる。また、関節機構の駆動負荷とガタ角度を適正化できる。さらに、機構部をカバーで覆うことにより、関節機構への人体の進入事故を防ぐことができる。

以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、本発明に係るロボットアーム１の正面図を模式的に示す。アームの根元側から先端側に向かって、肩部２と、肩関節３と、上腕部４と、肘関節５と、前腕部６と、手首関節７と、ハンド部８とから構成される。

肩部２は肩旋回モータ２１に駆動され、矢印イで示すように軸ｃを中心として旋回する。肩関節３は２個の肩関節モータ３１に駆動され、矢印ロで示す屈曲動作と、矢印ハで示す旋回動作を行う。肘関節５は肘関節モータ５１に駆動され、矢印二で示す屈曲動作を行う。手首関節７は、２個の手首関節モータ７１に駆動され、矢印ホで示す屈曲動作と、矢印へで示す旋回動作を行う。なお、肘関節モータ５１と手首関節モータ７１は上腕部４に内蔵される。

具体的なロボットアーム１の肘関節５の例を、図２から図４を用いて説明する。本例に示す肘関節５は第１の屈曲軸５６と第２の屈曲軸５７の２カ所で屈曲する二重関節構造である。二重関節構造の利点は、肘関節５が９０度を越えて屈曲したときに上腕部４と前腕部６との機構的干渉が発生しづらい点である。

上腕フレーム４１には、肘関節モータ５１と手首関節モータ７１とが固定されている。第１の屈曲軸５６は肘フレーム５５とは固定され、上腕フレーム４１とは軸受等を介して回転自由に連結される。第２の屈曲軸５７は、肘フレーム５５とは軸受等を介して回転自由に、前腕フレーム６１とは固定して連結される。一方、肘関節モータ５１は駆動歯車５２を介して、第１の歯車５３を駆動する。第１の歯車５３は第１の屈曲軸５６と固定されている。第１の歯車５３は第２の歯車５４とかみ合って駆動力を伝える。第２の歯車５４は第２の屈曲軸５７と固定されている。このような構造において肘関節モータ５１を回転すると、図４に示すように第１の屈曲軸５６が角度α回転駆動されたとき、それに連動して第２の屈曲軸も前腕フレーム６１に対して角度α屈曲する。また、肘ストッパ５８は、上腕フレーム４１と前腕フレーム６１とに突き当たり、両者が略直線の関係になる位置で動作を制限する。

以上の肘関節５において、第１の屈曲軸５６と第２の屈曲軸５７とに、回転自在なワイヤガイドプーリ５９を設けた。そして、ワイヤ７２を介して、上腕部４に設置した手首関節モータ７１の駆動力を、肘関節５を通じて手首関節７へ伝達する構造とした。すなわち、図４に示すように、第１の屈曲軸５６と第２の屈曲軸５７とがそれぞれ角度α屈曲したとき、第１の屈曲軸５６に設けたワイヤガイドプーリ５９ａへのワイヤ７２の巻き付き長さは、ワイヤガイドプーリ５９の直径をＤとしたとき、
Ｌｗ＝π×Ｄ×α／３６０（式１）
減少する。一方、第２の屈曲軸５７に設けたワイヤガイドプーリ５９ｂの巻き付き長さは長さＬ分だけ増加する。したがって、肘関節５の屈曲によりワイヤ７２は引っ張りや弛みを生じない。そのため、手首関節モータ７１の駆動力が肘関節５を通じて手首関節７へ伝達できる。

これにより、手首関節モータ７１をロボットアーム１の根元側に配置することができ、ロボットアーム１の慣性重量を低減でき、駆動力の小さい小型で安価なモータを使用することができる。

また、第１の歯車５３と第２の歯車５４とバックラッシを調整可能にした。一般的に、歯車のバックラッシは少ない場合に駆動負荷が増大する一方、大きいと空転角度が増えてガタが増大する。この調整を精密かつ安価に行うため、特に図３に示される構造とした。すなわち、第１の屈曲軸５６と肘フレーム５５とが接触する部分において、第１の屈曲軸５６を角柱とし、肘フレーム５５を角穴とした。また肘フレーム５５には、第２の屈曲軸５７とは反対側にスリットＳを設け、スリット間隔を縮めるネジ１０２を設けた。また、肘フレーム５５の角穴と第１の屈曲軸５６の角柱との間には、調整部材１０１を設ける構造とした。

ここで、ネジ１０２を締めてスリットＳを縮めると、矢印トに示す向きに力が発生し、第１の屈曲軸５６が第２の屈曲軸５７の方向へ押しつけられる。一方、第１の屈曲軸５６は調整部材１０１により、第２の屈曲軸５７との最小距離を規制されるため、両者の軸中心距離を正確に設定することができ、第１の歯車５３と第２の歯車５４のバックラッシ量を適正に与えることができる。

これにより、駆動負荷が増大せず、ガタ角度を適正化した肘関節５を構成することができる。さらに、これらの機構部品に対して、指などの人体を巻き込まないように保護することが重要である。そこで、屈曲の内側と外側を覆うスライドカバーを設けた。なお、図２においては機構構造を示すため、点線で記載してある。

肘関節５の屈曲の内側と外側には、プラスチック等の可撓性シート９１を設けて、機構部品を覆う。可撓性シート９１は前腕フレーム６１に対して、固定部材９３により固定される。一方、上腕フレーム４１に対しては、摺動部材９２によって滑らかに案内され、その一端をワイヤ９４で引っ張られる。内側の可撓性シート９１ａと外側の可撓性シート９１ｂとはワイヤ９４を介して連結される。ワイヤ９４は、上腕フレーム４１に設けたシートワイヤプーリ９５で滑らかに方向を転換される。

ここで、図４に示すように、第１の屈曲軸５６および第２の屈曲軸５７が角度α屈曲したとき、内側の可撓性シート９１ａはそれぞれの軸において、
Ｌｓ＝Ｗ×ｔａｎα （式２）
の長さを短くする必要がある。一方、外側の可撓性シート９１ｂは、長さＬｓだけ長くなる必要がある。前述のように、内側の可撓性シート９１ａと外側の可撓性シート９１ｂとはワイヤ９５で連結されているため、内側の可撓性シート９１ａの短縮長が外側の可撓性シート９１ｂの延伸長に供給されて、可撓性シート９１は肘関節５を覆い続けることができる。また、ワイヤ９４の途中に、ばね等の弾性体９６を挿入することにより、可撓性シート９１を適度に張った状態に保つことができる。

なお、上記の実施形態において、肘関節５は二重関節構造として説明したが、それに限定されず、屈曲動作を行う関節部に適用可能である。

ロボットアームの一実施例の正面図。図１に示したロボットアームに用いる肘関節の正面図。図１に示したロボットアームに用いる肘関節の上面図。図１に示したロボットアームに用いる肘関節の動作を説明する図。

符号の説明

１…ロボットアーム、２…肩部、３…肩関節、４…上腕部、５…肘関節、６…前腕部、７…手首関節、８…ハンド部、２１…肩旋回モータ、３１…肩関節モータ、４１…上腕フレーム、５１…肘関節モータ、５２…駆動歯車、５３…第１の歯車、５４…第２の歯車、５５…肘フレーム、５６…第１の屈曲軸、５７…第２の屈曲軸、５８…肘ストッパ、５９…ワイヤガイドプーリ、６１…前腕フレーム、７１…手首関節モータ、７２…ワイヤ、９１…可撓性シート、９２…摺動部材、９３…固定部材、９４…シートワイヤ、９５…シートワイヤプーリ、９６…弾性体、１０１…調整部材、１０２…ネジ。

Claims

回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記関節部を挟んで駆動モータと被駆動関節部を配置し、前記駆動モータと前記被駆動関節部はワイヤで連結され、前記関節部の屈曲軸に前記ワイヤを案内するワイヤガイドプーリを２個備え、前記ワイヤを屈曲内側と外側に振り分けて巻きつけてある関節部であることを特徴とするロボットアーム。
回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記ロボットアームは人間の腕を模擬した構造を有し、前記関節部は肘に相当する肘関節部であり、人間の手首に相当する手首関節を駆動する駆動モータを人間の上腕に相当する上腕部に配置し、前記駆動モータと前記手首関節はワイヤで連結され、前記肘関節部の屈曲軸に前記ワイヤを案内するワイヤガイドプーリを２個備え、前記ワイヤを屈曲内側と外側に振り分けて巻きつけてある肘関節部であることを特徴とするロボットアーム。
回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記関節部は互いに歯車で回転拘束された２つの屈曲軸で回転屈曲し、前記２つの屈曲軸はプレートで連結され、前記プレートは一方の前記屈曲軸の中心は固定であり、他方の前記屈曲軸を貫通する穴に、前記一方の屈曲軸の反対側へスリットを備え、前記スリットを閉じるように閉めることによって、前記一方の屈曲軸へ前記他方の屈曲軸を近接するプレートである関節部であることを特徴とするロボットアーム。
回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記関節部の屈曲の内側と外側にカバーシートを備え、前記カバーシートは一端が前記リンク部材に固定され、他端が互いに連結されているカバーシートである関節部であることを特徴とするロボットアーム。
回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記ロボットアームは人間の腕を模擬した構造を有し、前記関節部は肘に相当する肘関節部であり、前記肘関節部の屈曲の内側と外側にそれぞれカバーシートを備え、人間の前腕に相当する前腕フレームに内側と外側の前記カバーシートの一端を固定し、内側と外側の前記カバーシートの他端を互いにワイヤで連結したカバーシートである肘関節部であることを特徴とするロボットアーム。
請求項２に記載のロボットアームが請求項3および請求項５に記載の特徴を備えることを特徴とするロボットアーム。