JP2009214277A - Equivalent sphere joint structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、等価球関節構造に関し、より詳細には、広い可動範囲を有する等価球関節構造に関する。 The present invention relates to an equivalent spherical joint structure, and more particularly to an equivalent spherical joint structure having a wide movable range.
従来、産業用ロボットのマニピュレータ構造について、種々検討がなされている。既存のマニュピュレータの多くは、リンクと関節が直列的に連結されたシリアル型構造を有していたが、近年、シリアル型マニピュレータに比べて、高い剛性および高速運動性を備えた、パラレル型マニピュレータが注目されている。パラレル型マニピュレータは、その構造上、球関節を用いるものが多いが、これまで、多くの場合、球面軸受を利用した球関節構造が用いられていた。図10は、従来多く用いられている球面軸受を利用した球関節構造40を示す。図10に示す球関節構造40においては、リンク42は、その凸球面状に形成された端部44が凹球面状に形成された軸受46に嵌合されており、点Zを回転中心として全方位に可動自在に構成されている。しかしながら、球関節構造40においては、リンク42が軸受と干渉してしまうため、その可動範囲θは、60°程度に過ぎず、球関節のこの可動範囲の狭さがパラレル型マニピュレータの運動の多様性の追求において、ネックとなっていた。
Conventionally, various studies have been made on manipulator structures for industrial robots. Many of the existing manipulators have a serial type structure in which links and joints are connected in series, but in recent years, parallel type manipulators with higher rigidity and higher speed movement than serial type manipulators. Is attracting attention. Many of the parallel manipulators use a ball joint because of its structure, but until now, in many cases, a ball joint structure using a spherical bearing has been used. FIG. 10 shows a
この点につき、特開2002−276683号公報(特許文献1)は、継手材を90°以上の角度を持って屈曲させることを特徴としたユニバーサルジョイント構造を開示する。特許文献1が開示するユニバーサルジョイント構造は、第1継手材および第2継手材に対し、それぞれ第1部材および第2部材を回転可能に連結するとともに、両継手材の軸まわりの回転抵抗力を相違させることによって、継手材同士の干渉を極力回避し、もって、各継手材に連結された上記部材を全方位に同程度に屈曲させることを可能にするものである。このユニバーサルジョイント構造は、第1部材が第2部材に対して3自由度運動できるため、これを第1部材および第2部材の間に設けられた等価球関節構造と見ることもできる。しかしながら、特許文献1が開示するユニバーサルジョイント構造は、その構造上、継手材同士の干渉の可能性を完全に排除することはできず、この点において球関節との完全な等価性を担保するものではなかった。 In this regard, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-276683 (Patent Document 1) discloses a universal joint structure characterized in that a joint material is bent at an angle of 90 ° or more. In the universal joint structure disclosed in Patent Document 1, the first member and the second member are rotatably connected to the first joint material and the second joint material, respectively, and the rotational resistance force about the axes of both joint materials is provided. By making the difference, interference between the joint materials is avoided as much as possible, and thus the members connected to the joint materials can be bent to the same extent in all directions. In this universal joint structure, since the first member can move with respect to the second member with three degrees of freedom, it can also be regarded as an equivalent spherical joint structure provided between the first member and the second member. However, the universal joint structure disclosed in Patent Document 1 cannot completely eliminate the possibility of interference between joint materials because of its structure, and in this respect, guarantees complete equivalence with a ball joint. It wasn't.
今後、パラレル型マニピュレータをはじめ、産業用ロボットのさらなる応用展開を考える上で、球関節の可動範囲の拡大は重要な懸案事項であり、より広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造の創出が望まれていた。
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a novel equivalent spherical joint structure having a wide movable range.
本発明者は、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造につき鋭意検討した結果、5つの剛体リンクが1自由度を有する4つの回転関節によって連結されてなる、4自由度の開ループ球面リンク機構に対し、所定のリンク間の回転可動範囲を制約する手段を付加することによって、球関節と等価な関節構造が実現され、さらに、その可動範囲が既存の球関節等に比較して格段に広くなることを見出し、本発明に至ったのである。 As a result of intensive studies on a novel equivalent spherical joint structure having a wide range of motion, the present inventor has conducted a four-degree-of-freedom open-loop spherical link in which five rigid links are connected by four rotary joints having one degree of freedom. By adding a mechanism that restricts the rotational movable range between predetermined links to the mechanism, a joint structure equivalent to a ball joint is realized, and the movable range is significantly higher than that of existing ball joints. It has been found that it has become wide and has led to the present invention.
すなわち、本発明によれば、5つの剛体リンクが4つの回転関節によって連結されてなるリンク機構と特異姿勢回避手段(22)とを含む等価球関節構造であって、前記リンク機構は、剛体リンクとして、第1屈曲部(14)と、第2屈曲部(18)と、中間連結部(16)と、第1連結部(12)と、第2連結部(20)とを含んで構成され、前記第1連結部(12)は、第1回転関節(24)によって前記第1屈曲部(14)に連結され、前記第1屈曲部(14)は、第2回転関節(26)によって前記中間連結部(16)に連結され、前記中間連結部(16)は、第3回転関節(28)によって前記第2屈曲部(18)に連結され、前記第2屈曲部(18)は、第4回転関節(30)によって前記第2連結部(20)に連結されており、前記第1回転関節(24)の第1関節軸(C)と、前記第2回転関節(26)の第2関節軸(B)と、前記第3回転関節(28)の第3関節軸(D)と、前記第4回転関節(30)の第4関節軸(A)とが一点で交差し、且つ、前記第2関節軸(B)と前記第3関節軸(D)とが直交し、前記第3関節軸(D)と前記第4関節軸(A)とが直交し、前記第1関節軸(C)と前記第2関節軸(B)とが鋭角をもって交差するように、前記5つの剛体リンクが前記4つの回転関節によって連結されており、前記特異姿勢回避手段(22)は、前記第1関節軸(C)が、前記第2関節軸(B)と前記第3関節軸(D)の両方を含む平面上に存在する姿勢に陥らないように、第1屈曲部14と中間連結部16の間に復元力を付与する手段である等価球関節構造が提供される。
That is, according to the present invention, an equivalent spherical joint structure including a link mechanism in which five rigid links are connected by four rotary joints and a unique posture avoiding means (22), wherein the link mechanism is a rigid link. The first bent portion (14), the second bent portion (18), the intermediate connecting portion (16), the first connecting portion (12), and the second connecting portion (20). The first connecting portion (12) is connected to the first bent portion (14) by a first rotating joint (24), and the first bent portion (14) is connected to the first rotating joint (26) by the second rotating joint (26). The intermediate connection part (16) is connected to the second connection part (18) by a third rotary joint (28), and the second connection part (18) is connected to the second connection part (16). The first joint shaft (C) of the first rotary joint (24) is connected to the second connecting portion (20) by a four rotary joint (30). A second joint axis (B) of the rolling joint (26), a third joint axis (D) of the third rotary joint (28), and a fourth joint axis (A) of the fourth rotary joint (30); Intersect at one point, the second joint axis (B) and the third joint axis (D) are orthogonal, and the third joint axis (D) and the fourth joint axis (A) are orthogonal. The five rigid links are connected by the four rotary joints so that the first joint axis (C) and the second joint axis (B) intersect at an acute angle, and the singular posture avoiding means (22) The first joint axis (C) is such that the first joint axis (C) does not fall into a posture existing on a plane including both the second joint axis (B) and the third joint axis (D). An equivalent spherical joint structure, which is a means for applying a restoring force between the
本発明においては、前記特異姿勢回避手段(22)を、前記第2関節軸(B)回りの、前記第1屈曲部(14)および前記中間連結部(16)の相対的な回転運動に対抗する復元力を付与する手段とすることができる。また、本発明においては、前記復元力を付与する手段を、前記第1屈曲部(14)と前記中間連結部(16)の間に設けられる付勢手段であって、該付勢手段は、前記第1屈曲部(14)と前記中間連結部(16)に対して、前記第1関節軸(C)が、前記第2関節軸(B)と前記第3関節軸(D)の両方を含む平面上に存在しない状態を平衡状態として設けられる付勢手段とすることができ、前記付勢手段をねじりバネとすることができる。さらに、本発明においては、前記第2屈曲部(18)を、L字状に屈曲して形成される剛体リンクとし、前記中間連結部(16)を、直線状に形成される剛体リンクとし、前記第1屈曲部(14)は、鈍角をもって屈曲して形成される剛体リンクとして構成することができる。 In the present invention, the unique posture avoiding means (22) counteracts the relative rotational motion of the first bent portion (14) and the intermediate connecting portion (16) around the second joint axis (B). It can be a means to give the restoring force to do. In the present invention, the means for applying the restoring force is an urging means provided between the first bent portion (14) and the intermediate connecting portion (16), and the urging means includes: With respect to the first bent portion (14) and the intermediate connecting portion (16), the first joint axis (C) has both the second joint axis (B) and the third joint axis (D). The biasing means provided as an equilibrium state can be a state that does not exist on the plane that includes it, and the biasing means can be a torsion spring. Furthermore, in the present invention, the second bent portion (18) is a rigid link formed by bending in an L shape, and the intermediate connecting portion (16) is a rigid link formed in a straight line. The first bent portion (14) can be configured as a rigid link formed by bending with an obtuse angle.
上述したように、本発明によれば、従来よりも格段に広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造が提供される。 As described above, according to the present invention, a novel equivalent spherical joint structure having a much wider movable range than the conventional one is provided.
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings.
図1は、本実施形態の等価球関節構造10を示す斜視図である。図1に示されるように、本実施形態の等価球関節構造10は、第1連結部12、第1屈曲部14、中間連結部16、第2屈曲部18、および第2連結部20の5つの剛体リンクが4つの回転関節によって連結されたリンク機構を含んで構成される。具体的には、第1連結部12と第1屈曲部14、第1屈曲部14と中間連結部16、中間連結部16と第2屈曲部18、および、第2屈曲部18と第2連結部20は、それぞれ1自由度を有する回転関節によって連結されている。等価球関節構造10は、その使用に際して、第1連結部12および第2連結部20が、それぞれ、図示しない剛体リンクXおよび剛体リンクYに連結され、剛体リンクXと剛体リンクYに対し球関節と等価の働きをする。
FIG. 1 is a perspective view showing an equivalent spherical
また、実施形態の等価球関節構造10は、さらに、特異姿勢回避手段を含んで構成されている。特異姿勢回避手段は、等価球関節構造10が、球関節との等価性を喪失することを回避するために設けられる手段であり、図1に示す実施形態においては、特異姿勢回避手段をねじりバネ22によって構成している。なお、特異姿勢回避手段の機能・作用については後に詳説する。以上、本実施形態の等価球関節構造10の物理的構成について概説してきたが、次に、本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構について図2を参照して以下説明する。なお、以下、図2〜9においては、共通する要素について同じ符号を用いて示し、その説明を適宜省略する。
In addition, the equivalent spherical
図2は、本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構を説明するための概念図である。なお、図2においては、説明の便宜のため特異姿勢回避手段22を省略している。
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the link mechanism of the equivalent spherical
本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構は、上述したように、5つの剛体リンク(第1連結部12、第1屈曲部14、中間連結部16、第2屈曲部18、第2連結部20)が、図中の★で示す4つの1自由度を有する回転関節で連結されてなる開ループ構造として構成されている。第1連結部12と第1屈曲部14は、回転関節24によって連結され、第1屈曲部14と中間連結部16は、回転関節26によって連結され、中間連結部16と第2屈曲部18は、回転関節28によって連結され、第2屈曲部18と第2連結部20は、回転関節30によって連結されており、上述した剛体リンク間はすべて1自由度に拘束されている。したがって、上記リンク機構は、全体で4自由度(1自由度×4)を有している。球関節はそれに結合する2つの物体間の運動を3自由度に拘束するものであり、この点に鑑みれば、本実施形態の等価球関節構造10は、4自由度を有しており、1自由度分、冗長に構成されている。この冗長性が後に詳説する特異姿勢回避手段と連関することによって、等価球関節構造10において、球関節との等価性が好適に実現される。
As described above, the link mechanism of the equivalent spherical
図2においては、回転関節24、26、28、30のそれぞれの関節軸を線A〜Dによって示す。なお、図2においては、説明の便宜のため、関節軸Bと関節軸Dを屈曲した線として示しているが、図1に示すように各剛体リンクが連結されたとき、関節軸Bおよび関節軸Dは直線になることを理解されたい。等価球関節構造10においては、第1連結部12は、第1屈曲部14に対して回転関節24の関節軸Cを回転軸として360°回転自在とされ、また、中間連結部16は、第2屈曲部18に対して回転関節28の関節軸Dを回転軸として360°回転自在とされており、さらに、第2連結部20は、第2屈曲部18に対して回転関節30の関節軸Aを回転軸として360°回転自在とされている。一方、第1屈曲部14は、中間連結部16に対して回転関節26の関節軸Bを回転軸として回動自在に構成されてはいるものの、上述した剛体リンク要素と異なり、第1屈曲部14と中間連結部16の間に設けられた図示しない特異姿勢回避手段の作用によって、その回転運動が一定の制約を受けている。この点については後に詳説する。
In FIG. 2, the joint axes of the
さらに、本実施形態の等価球関節構造10においては、図2に示されるように、回転関節30の関節軸Aと、回転関節26の関節軸Bと、回転関節24の関節軸Cと、回転関節28の関節軸Dとが、「S」で示す一点で交差するように構成されている。第1連結部12は、第2連結部20を固定した場合に、関節軸A〜Dの全てが交わる、この点Sを回転中心として、全方位に動くことができる。すなわち、この点Sは、球関節における回転中心に相当するものであり、本明細書においては、この関節軸A〜Dの全てが交わる点Sを、等価球関節構造10の「仮想回転中心」と定義して以下用いる。
Further, in the equivalent spherical
次に、図3を参照して、本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構における各剛体リンク要素についてさらに詳説する。図3は、等価球関節構造10の各剛体リンクについて説明するための図であり、図3(a)は第2屈曲部18の側面図を、図3(b)は中間連結部16の上面図を、図3(c)は第1屈曲部14の側面図をそれぞれ示す。図3(a)に示されるように、第2屈曲部18は、L字状に屈曲して形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節28と回転関節30とに連結され、その際、回転関節28の関節軸Dと回転関節30の関節軸Aとが仮想回転中心Sを交点として直交するように構成されている。なお、本実施形態においては、第2屈曲部18は、そのL字状の屈曲構造と中間連結部16とによって、空間dが定義されるように、その形状および寸法が決定される。ここで、この空間dとは、第1連結部12が、第2連結部20に近づく形で運動する際に、第1屈曲部14の第1連結部12が接続されていない方の端部が、第2屈曲部18と干渉することなく通りぬけることを可能にする空間をいう。
Next, with reference to FIG. 3, each rigid link element in the link mechanism of the equivalent spherical
また、図3(b)に示されるように、中間連結部16は、直線状に形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節28と回転関節26とに連結され、その際、回転関節28の関節軸Dと回転関節26の関節軸Bとが仮想回転中心Sを交点として直交するように構成されている。一方、図3(c)に示されるように、第1屈曲部14は、鈍角θ2をもって屈曲して形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節24と回転関節26とに連結され、その際、回転関節24の関節軸Cと回転関節26の関節軸Bとは直交せず、仮想回転中心Sを交点として鋭角θ1もって交差するように構成されている。
Further, as shown in FIG. 3 (b), the intermediate connecting
本実施形態の等価球関節構造10は、上述したリンク機構を備えることによって、従来の球関節構造やユニバーサルジョイント構造に比較して、格段に大きい可動範囲を実現する。図4は、本実施形態の等価球関節構造10が運動する態様を時系列的に示す。図4においては、第2連結部20を地表面に固定した状態で、第1連結部12を全方位に動かしたときの等価球関節構造10の姿勢の変化を、視線を固定して番号1〜番号9の順に時系列的に示した。図4を参照することによって、本実施形態の等価球関節構造10が、仮想回転中心に対して全方位に300°近い可動範囲を実現していることが理解されよう。
The equivalent spherical
ここでは、本実施形態の等価球関節構造10が球関節と実質的に等価に機能するメカニズムについて説明する。図5は、本発明のメカニズムを説明するためにモデルリンク機構Rを示す。球関節においては、それに結合する2つの物体間の運動が3自由度に拘束される。この点からすると、モデルリンク機構Rは、図5(a)に示すように、3つの関節軸(J1〜J3)を有し、それら3つの関節軸が一点で交わるように構成されており、継手材T1の結合する物体と、継手材T2に結合する物体との間の運動を3自由度に拘束するものであるから、球関節と同様に機能することが期待される。しかし、モデルリンク機構Rの場合、図5(b)に示すように、3つの関節軸(J1〜J3)が破線で示す同一平面上に存在する姿勢においては、継手材T1の結合する物体の図中の矢印で示す方向への回転が不可能となる。つまり、この姿勢においてモデルリンク機構Rは、球関節との等価性が喪失されている。
Here, the mechanism by which the equivalent spherical
上述した点につき、本実施形態においても、3つの関節軸が同一平面上に存在する姿勢は発生する。図6は、本実施形態の等価球関節構造10がその運動の過程で取り得る3つの姿勢を示す。図6(a)に示す姿勢においては、関節軸A、C、Dは、いずれも破線で示す平面P上に存在するが、関節軸Bが平面P上に存在しないため、第2連結部20を固定した状態において、第1連結部12は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができる。同じく、図6(b)に示す姿勢においては、関節軸A、B、およびDがいずれも平面P上に存在するが、関節軸Cが平面P上に存在しないため、第2連結部20を固定した状態において、第1連結部12は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができ、図6(c)に示す姿勢においても、関節軸A、B、およびDがいずれも平面P上に存在するが、関節軸Cが平面P上に存在しないため、第2連結部20を固定した状態において、第1連結部12は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができる。上述したように、本実施形態の等価球関節構造10においては、3つの関節軸が同一平面上に存在する姿勢であっても、残る1つの関節軸が平面P上に存在しない限りにおいては、球関節との等価性が維持されることが理解されるであろう。しかしながら、本実施形態においても、関節軸A〜Dの全てが同一平面上に存在する場合、等価球関節構造10は球関節との等価性を失う可能性がある。以下、この点につき図7を参照して説明する。
Regarding the above-described points, also in the present embodiment, a posture in which the three joint axes exist on the same plane occurs. FIG. 6 shows three postures that the equivalent spherical
図7は、本実施形態の等価球関節構造10がその運動の過程で取り得る別の3つの姿勢を示す。図7(a)に示す姿勢においては、関節軸A〜Dの全てが破線で示す平面P上に存在するため、第2連結部20を固定した状態において、第1連結部12は、仮想回転中心に対して平面P上の矢印で示される方向への回転運動がロックされ、その結果、球関節との等価性が失われる。同じく、図7(b)および(c)に示す姿勢においても、関節軸A〜Dの全てが破線で示す平面P上に存在するため、第2連結部20を固定した状態において、第1連結部12は、仮想回転中心に対して平面P上の矢印で示される方向への回転運動がロックされ、その結果、球関節との等価性が失われることになる。なお、本明細書においては、上述した関節軸A〜Dの全てが同一平面上に存在するリンク機構の姿勢を「特異姿勢」と定義し、以下用いることとする。
FIG. 7 shows three other postures that the equivalent spherical
以上、説明したように、本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構は、その運動の過程において、同一平面上に存在している関節軸が、関節軸A〜Dのうちの3つ以下となるような姿勢を維持している間は、球関節との等価性を失わないが、関節軸A〜Dの全てが同一平面上に存在するような姿勢に陥った場合には、その瞬間、球関節との等価性を失う可能性があることが理解されるであろう。
As described above, in the link mechanism of the equivalent spherical
しかしながら、実際には、本実施形態の等価球関節構造10は、特異姿勢回避手段の作用によって特異姿勢に陥ることが回避されるため、球関節との等価性は常に担保される。この点につき、図8および図9を参照して以下詳細に説明する。
However, in practice, the equivalent spherical
図8は、本実施形態の等価球関節構造10における特異姿勢回避手段について説明するための図である。図8においては、説明の便宜のため、等価球関節構造10の剛体リンク要素のうち、第1屈曲部14および中間連結部16のみを抜き出して示している。図8(a)は、等価球関節構造10を第1屈曲部14の側面方向から見た図である。本実施形態においては、第1屈曲部14には、軸状突起32が突設されており、軸状突起32が中間連結部16に形成された開口部16aに挿入されることによって、関節軸Bを有する回転関節が実現されている。ここで、軸状突起32には、特異姿勢回避手段としてのねじりバネ22が挿嵌され、ねじりバネ22の一端22aが中間連結部16に固着され、その他端22bが軸状突起32の先端部近傍に固着されている。なお、第1屈曲部14には、関節軸Cを有する回転関節を介して図示しない第1連結部12に連結されている。
FIG. 8 is a view for explaining the unique posture avoiding means in the equivalent spherical
図8(b)は、等価球関節構造10を中間連結部16の正面方向から見た図である。上述したように、第1屈曲部14と中間連結部16とは関節軸Bを有する回転関節によって連結されているので、第1屈曲部14に連結された図示しない第1連結部12の運動に伴って、第1屈曲部14と中間連結部16とは、様々な位置関係を取り得る。仮に、第1屈曲部14が、関節軸Bまわりに実線の矢印Qが示す方向に90°回転してしまうと、第1屈曲部14が有する関節軸Cが、中間連結部16が有する関節軸Dおよび関節軸Bの両方を含む平面上に存在する状態が生じてしまうことになる。この関節軸B〜Dが同一平面上に存在する状態を保持したまま、中間連結部16が関節軸Dまわりに回転すると、図示しない関節軸Aと関節軸B〜Dとが同一平面上に存在する姿勢、すなわち特異姿勢が惹起されてしまうことになる。
FIG. 8B is a view of the equivalent spherical
しかしながら、本実施形態においては、第1屈曲部14と中間連結部16の間に、ねじりバネ22が設けられており、ねじりバネ22は、図8(b)の実線で示した状態、すなわち、図8(a)に示す状態を平衡状態として取り付けられているため、屈曲部14が関節軸Bまわりに実線の矢印Qが示す方向に回転する場合には、その回転運動に応答して、破線の矢印Rが示す方向にねじりバネ22の復元力が中間連結部16に瞬時に作用し、これに伴って、中間連結部16が関節軸Bを回転軸として破線の矢印Rが示す方向に回転する。すなわち、ねじりバネ22は、関節軸B回りの、第1屈曲部14および中間連結部16の相対的な回転運動に対抗する復元力を生成する手段として機能しており、上述したねじりバネ22の作用によって、第1屈曲部14が有する関節軸Cが、中間連結部16が有する関節軸Dおよび関節軸Bの両方を含む平面上に存在する状態から常に適度な斥力が生成され、その結果、関節軸A〜Dが同一平面上に存在する特異姿勢が回避されることになる。
However, in the present embodiment, a
なお、本発明における特異姿勢回避手段は、関節軸B回りの、第1屈曲部14および中間連結部16の相対的な回転運動に対抗する復元力を生成することができる手段であればよく、上述したねじりバネ22に限定されるものではなく、ゴムやバネなどの弾性体を用いて適宜設計することができるが、球関節との等価性を担保する上で、上述した斥力が過大にならないように構成することがより好ましい。
The unique posture avoiding means in the present invention may be any means that can generate a restoring force that opposes the relative rotational movement of the first
本実施形態の等価球関節構造10において特異姿勢が回避される機構について、図9を参照してさらに具体的に説明する。図9(a)〜(c)の紙面左側に示した等価球関節構造10の姿勢は、それぞれ、図7(a)〜(c)に示した姿勢に対応するものであり、図7について上述したように全てが特異姿勢の状態にある。本実施形態の等価球関節構造10は、第2連結部20を固定した状態で、第1連結部12を仮想回転中心に対して全方位に動かす場合、第1屈曲部14と中間連結部16の相対角度に応じて、特異姿勢回避手段22の復元力が、常時、第1屈曲部14および中間連結部16に作用するため、通常の状況下では、図9(a)〜(c)の紙面左側に示した特異姿勢の状態に陥ることはないが、ここでは、説明の便宜のため、仮に、図9(a)〜(c)の紙面左側に示した特異姿勢の状態に極めて近い姿勢に陥った状況を考える。本実施形態によれば、そのような状況に陥った場合でも、瞬時にねじりバネの復元力が作用することにより、中間連結部16および第2屈曲部18が、それぞれ関節軸Bおよび関節軸Aまわりに回転するため、特異姿勢が完全に回避され、その結果、図9(a)〜(c)の紙面右側に示した姿勢、すなわち、関節軸A〜Dのうち、同一平面上に存在している関節軸が3つ以下となるような姿勢に復帰する。
A mechanism for avoiding a specific posture in the equivalent spherical
ここで、本実施形態の等価球関節構造10のリンク機構は、上述したように、1自由度分、冗長性を有している。ここで注目すべき点は、リンク機構自体は冗長性を有しながらも、4本の関節軸が仮想回転中心1点で交わるよう構成されているため、第2連結部20と第1連結部12は、球関節で拘束された状態と等価な状態であるという点である。つまり、第2連結部20に対する第1連結部12の運動の自由度は3であり、上述した本リンク機構の1自由度分の冗長性は、第2連結部20と第1連結部12の間の運動とは分離された3つの剛体リンク要素である、第1屈曲部14、中間連結部16、第2屈曲部18が連動した1自由度分の運動となって現れるに過ぎない。本実施形態では、第2連結部20と第1連結部12の間の運動とは分離された1自由度分のこの運動を特異姿勢回避のための運動として活用している。本発明におけるリンク機構は、上述したメカニズムによって、その特異姿勢が好適に回避されるため、球関節との等価性が好適に実現されるのである。
Here, as described above, the link mechanism of the equivalent spherical
以上、説明したように、本発明によれば、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造が提供される。本発明の等価球関節構造によって、従来、パラレル型マニピュレータにおいて、球関節の可動範囲の制約によってその実現が困難とされていた動きが可能となり、このようなパラレル型マニピュレータが各種産業用ロボットに応用されることが期待される。 As described above, according to the present invention, a novel equivalent spherical joint structure having a wide movable range is provided. With the equivalent spherical joint structure of the present invention, it has become possible to move in a parallel type manipulator that has been difficult to realize due to restrictions on the movable range of the ball joint, and such a parallel type manipulator can be applied to various industrial robots. Is expected to be.
10…等価球関節構造、12…第1連結部、14…第1屈曲部、16…中間連結部、18…第2屈曲部、20…第2連結部、22…ねじりバネ、24…回転関節、26…回転関節、28…回転関節、30…回転関節、32…軸状突起、40…球関節構造、42…リンク、44…端部、46…軸受
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記リンク機構は、剛体リンクとして、第1屈曲部と、第2屈曲部と、中間連結部と、第1連結部と、第2連結部とを含んで構成され、
前記第1連結部は、第1回転関節によって前記第1屈曲部に連結され、前記第1屈曲部は、第2回転関節によって前記中間連結部に連結され、前記中間連結部は、第3回転関節によって前記第2屈曲部に連結され、前記第2屈曲部は、第4回転関節によって前記第2連結部に連結されており、
前記第1回転関節の第1関節軸と、前記第2回転関節の第2関節軸と、前記第3回転関節の第3関節軸と、前記第4回転関節の第4関節軸とが一点で交差し、且つ、前記第2関節軸と前記第3関節軸とが直交し、前記第3関節軸と前記第4関節軸とが直交し、前記第1関節軸と前記第2関節軸とが鋭角をもって交差するように、前記5つの剛体リンクが前記4つの回転関節によって連結されており、
前記特異姿勢回避手段は、前記第1関節軸が、前記第2関節軸と前記第3関節軸の両方を含む平面上に存在する姿勢に陥らないように、前記第1屈曲部と前記中間連結部16の間に復元力を付与する手段である、等価球関節構造。 An equivalent spherical joint structure including a link mechanism in which five rigid links are connected by four rotary joints and a unique posture avoiding means,
The link mechanism is configured to include a first bent portion, a second bent portion, an intermediate connecting portion, a first connecting portion, and a second connecting portion as a rigid link,
The first connecting portion is connected to the first bent portion by a first rotating joint, the first bent portion is connected to the intermediate connecting portion by a second rotating joint, and the intermediate connecting portion is connected to the third rotating portion. Connected to the second bent portion by a joint, and the second bent portion is connected to the second connected portion by a fourth rotating joint;
The first joint axis of the first rotary joint, the second joint axis of the second rotary joint, the third joint axis of the third rotary joint, and the fourth joint axis of the fourth rotary joint at one point. Crossing, the second joint axis and the third joint axis are orthogonal, the third joint axis and the fourth joint axis are orthogonal, and the first joint axis and the second joint axis are The five rigid links are connected by the four rotary joints so as to intersect at an acute angle,
The singular posture avoiding means includes the first bent portion and the intermediate coupling so that the first joint axis does not fall into a posture existing on a plane including both the second joint axis and the third joint axis. An equivalent spherical joint structure that is a means for applying a restoring force between the portions 16.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008063357A JP2009214277A (en) | 2008-03-12 | 2008-03-12 | Equivalent sphere joint structure |
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JP (1) | JP2009214277A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11642792B2 (en) | 2019-08-23 | 2023-05-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Holding device and transporting device |
-
2008
- 2008-03-12 JP JP2008063357A patent/JP2009214277A/en active Pending
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