JP2014083652A - オフセット関節機構及びこれを備えたロボット - Google Patents

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明紀 長野
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Abstract

【課題】安全性を向上することができるオフセット関節機構及びこれを備えたロボットを提供する。
【解決手段】アーム部材3の第2肩部材12に対向する端面31が、アーム部材3の長手方向D1に直交する方向D2に対して交差方向に延びる円形状の端面からなり、第2肩部材12のアーム部材3に対向する端面123が、アーム部材3の端面形状に対応する円形状の端面からなり、当該端面31,123に対して直交方向に延びる回転軸線32を中心にアーム部材3を回転可能に保持する。これにより、アーム部材3が第2肩部材12に対していずれの回転位置にある場合であっても、端面31,123同士が常に重なり合い、アーム部材3の端縁が大きく突出することがない。したがって、アーム部材3の端縁が周囲の物や人間に接触するのを防止できるので、安全性を向上することができる。
【選択図】図1B

Description

本発明は、構造体の長軸方向に対し好適に設置されたオフセット関節機構に関し、特に、関節変形又は不連続形状を発生しないオフセット関節機構及びこれを備えたロボットに関する。
例えば介護用ロボットなどの人間と接触するロボットとして、頭部、胴部、腕部といった人体と同様の部位を有する人型ロボットが知られている(例えば、特許文献1の図11及び特許文献2,3を参照)。この種のロボットでは、より人間に近い動きとするために、腕部や肩部などに複数の関節機構が設けられ、それらの関節機構における揺動動作や回転動作の組み合わせによってロボットの動きが制御されるようになっている。
一方、人型ロボットの腕部などにも適用可能な関節機構として、アームを長手方向に対して交差方向に延びる回転軸線を中心に回転させる関節(いわゆるオフセット関節)を備えた機構が知られている(例えば、特許文献4を参照)。当該特許文献4(図2を参照)に開示されたオフセット関節は、互いに回転可能に連結された駆動側アーム6と従動側アーム7とを備えている。このオフセット関節では、従動側アーム7の一端面が当該従動側アーム7の長手方向に対して交差方向に延びる端面となっており、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線9を中心に従動側アーム7が回転可能に保持されている。
特開平10−225881号公報 特開2002−154076号公報 特開2003−200366号公報 特許第3671219号公報
上記特許文献4に開示されたオフセット関節においては、従動側アーム7の断面形状、すなわち長手方向に対して直交方向の断面形状が円形状である場合、長手方向に対して交差方向に延びる端面の形状は楕円形状となる。このように、従動側アーム7の端面形状が楕円形状である場合には、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線9を中心に従動側アーム7を回転させたときに、その回転位置によっては当該従動側アーム7の端縁が突出することとなる(後述する図6(b)の突出量dを参照)。
図6は、従動側アーム7の端面形状が楕円形状である場合の各回転位置における態様を示した概略断面図である。従動側アーム7の端面形状が楕円形状である場合には、当該従動側アーム7を回転可能に保持する保持部材8の端面も対応する楕円形状とすることにより、図6(a)に示すように、ある回転位置においては当該端面同士が完全に重なり合い、従動側アーム7の端縁が突出しないような状態となる。
しかしながら、図6(a)の状態から従動側アーム7が回転軸線9を中心に回転すると、図6(b)に示すように、端面同士が完全に重なり合わなくなり、従動側アーム7の端縁が突出量dだけ突出した状態となる。
このように、従動側アーム7の端縁が突出する回転位置においては、当該端縁が周囲の物にぶつかるなどの危険性がある。特に、介護用ロボットのような人間と接触するロボットの場合には、当該ロボットと接触する人間に従動側アーム7の端縁がぶつかったり、当該端縁に衣類などが引っ掛かったりするおそれがあるため、非常に危険である。このような問題点に関しては、以下に説明するようなオフセット関節機構の従来例を挙げることができる。
図7は、オフセット関節機構の従来例を示した概略図である。図7(a)及び(b)には、アーム部材3Aが保持部材12Aにより回転可能に保持され、当該アーム部材3Aが長手方向に対して交差方向に延びる回転軸線32Aを中心に回転可能なオフセット関節機構の従来例が示されている。
図7(a)の例では、アーム部材3Aと当該アーム部材3Aを回転可能に保持する保持部材12Aとの連結部分が、球面形状に形成されている。このような構成の場合には、上記連結部分の球面の任意の断面をアーム部材3A及び保持部材12Aの各端面とすることにより、互いに対向する円形状の端面を形成することができる。したがって、アーム部材3Aが保持部材12Aに対していずれの回転位置にある場合であっても、互いに対向する端面同士が常に重なり合い、アーム部材3Aの端縁が大きく突出することがない。
しかしながら、上記のような球面形状の連結部分では、表面の起伏の変化が大きいため、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じる場合がある。
図7(b)の例では、アーム部材3Aと当該アーム部材3Aを回転可能に保持する保持部材12Aとの互いに対向する端部が、それぞれ湾曲形状に形成されている。このような構成の場合には、アーム部材3A及び保持部材12Aの各端部の端面を円形状に形成し、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線32Aを中心にアーム部材3Aを回転可能に保持することができる。したがって、図7(a)の構成と同様に、アーム部材3Aが保持部材12Aに対していずれの回転位置にある場合であっても、互いに対向する端面同士が常に重なり合い、アーム部材3Aの端縁が大きく突出することがない。
しかしながら、上記のような湾曲形状の連結部分では、アーム部材3Aが一直線上に延びていないため、図7(a)の構成と同様に、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じる場合がある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、安全性を向上することができるオフセット関節機構及びこれを備えたロボットを提供することを目的とする。また、本発明は、作業性を向上することができるオフセット関節機構及びこれを備えたロボットを提供することを目的とする。
本発明に係るオフセット関節機構は、アーム部材が保持部材により回転可能に保持されたオフセット関節機構であって、前記アーム部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記保持部材に対向する端面が、当該アーム部材の長手方向に直交する方向に対して交差方向に延びる円形状の端面からなるとともに、前記中心軸線が前記円形状の端面の中心部を通り、前記保持部材は、前記アーム部材に対向する端面が、前記アーム部材の端面形状に対応する円形状の端面からなり、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線を中心に前記アーム部材を回転可能に保持し、前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、円形状とはならないように形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、アーム部材及び保持部材の互いに対向する端面がそれぞれ対応する円形状からなるため、アーム部材が保持部材に対していずれの回転位置にある場合であっても、端面同士が常に重なり合い、アーム部材の端縁が大きく突出することがない。したがって、アーム部材の端縁が周囲の物や人間に接触するのを防止できるので、安全性及び作業性を向上することができる。
また、本発明では、アーム部材及び保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、円形状とはならないように形成されている。
例えば、アーム部材及び保持部材の連結部分を球面形状に形成すれば、その球面の任意の断面をアーム部材及び保持部材の各端面とすることにより、互いに対向する円形状の端面を形成することができる。球面形状の連結部分の場合には、上記端面に対して交差方向に切断したときの断面も円形状となるが、このような球面形状の連結部分では、図7(a)のように表面の起伏の変化が大きくなってしまう。本発明のように、アーム部材及び保持部材の各端面は円形状とし、アーム部材及び保持部材の連結部分を上記端面に対して交差方向に切断したときの断面は円形状とはならないようにすれば、連結部分が球面形状のような異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのを防止できる。したがって、安全性及び作業性を向上することができる。
さらに、本発明では、アーム部材が、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、当該中心軸線がアーム部材の円形状の端面の中心部を通るように構成されている。
例えば、アーム部材及び保持部材の互いに対向する端部をそれぞれ湾曲形状に形成すれば、それらの各端部の端面を円形状に形成し、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線を中心にアーム部材を回転可能に保持することができるが、このような湾曲形状の連結部分では、図7(b)のようにアーム部材が一直線上に延びていない。本発明のように、アーム部材が一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状とされ、当該中心軸線がアーム部材の円形状の端面の中心部を通るように構成すれば、連結部分が湾曲形状のような異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのをより効果的に防止できる。したがって、安全性及び作業性をさらに向上することができる。
本発明に係るオフセット関節機構は、アーム部材が保持部材により回転可能に保持されたオフセット関節機構であって、前記アーム部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記保持部材に対向する端面が、当該アーム部材の長手方向に直交する方向に対して交差方向に延びる円形状の端面からなり、前記保持部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記アーム部材に対向する端面が、前記アーム部材の端面形状に対応する円形状の端面からなり、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線を中心に前記アーム部材を回転可能に保持するとともに、前記回転軸線を中心とする所定の回転角度において、前記アーム部材及び前記保持部材の各中心軸線が同一直線上に位置するようになっており、前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、円形状とはならないように形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、上記と同様の効果を奏することができる。
前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、楕円形状になるように形成されていてもよい。
このような構成によれば、アーム部材及び保持部材の各端面は円形状とし、アーム部材及び保持部材の連結部分を上記端面に対して交差方向に切断したときの断面は楕円形状とすることにより、表面の起伏の変化をより小さくすることができ、安全性及び作業性をより向上することができる。
本発明に係るロボットは、前記オフセット関節機構と、前記保持部材に対して前記アーム部材を回転させるための動力伝達機構とを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、本発明に係るオフセット関節機構と同様の上記効果を奏するロボットを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るオフセット関節機構が適用された肩関節機構の斜視図である。 図1Aの肩関節機構の正面図である。 図1Aの肩関節機構の縦断面図である。 図1Bにおけるアーム部材及び第2肩部材の連結部分のB−B断面図である。 アーム部材の形状の一例を示した図であり、(a)は斜視図、(b)は正面図を示している。 アーム部材の形状の他の例を示した図であり、(a)は斜視図、(b)は正面図を示している。 別実施形態に係るオフセット関節機構の一例を示した斜視図である。 図4のオフセット関節機構の側面図(a)及び各アーム部材の端面を垂直方向から見た図(b)、(c)である。 従動側アームの端面形状が楕円形状である場合の各回転位置における態様を示した概略断面図である。 オフセット関節機構の従来例を示した概略図である。
図1Aは、本発明の一実施形態に係るオフセット関節機構が適用された肩関節機構2の斜視図である。図1Bは、図1Aの肩関節機構2の正面図である。図1Cは、図1Aの肩関節機構2の縦断面図である。これらの図1A〜図1Cでは、肩関節機構2とともにアーム部材3の一部も示されている。この肩関節機構2は、介護用ロボットなどの人型ロボットの肩部分に適用可能であるが、本発明は、人型ロボットに限らず、他の各種ロボットに適用可能である。
肩関節機構2は、回転軸4を介して互いに揺動可能に連結された第1肩部材11及び第2肩部材12を備えている。第1肩部材11は、ロボット本体(図示せず)に対して回転可能に連結される連結部111と、当該連結部111からそれぞれ突出し、互いに所定間隔を空けて平行に延びる2つの突出部112とが一体的に形成されることにより構成されている。第2肩部材12は、アーム部材3に対して回転可能に連結される連結部121と、当該連結部121からそれぞれ突出し、互いに所定間隔を空けて平行に延びる2つの突出部122とが一体的に形成されることにより構成されている。
第1肩部材11の2つの突出部112と第2肩部材12の2つの突出部122とは、回転軸4を介して互いに回転可能に連結されており、これにより、第1肩部材11と第2肩部材12とが回転軸4を中心に揺動可能となっている。第1肩部材11の2つの突出部112が互いに所定間隔を空けて配置されるとともに、第2肩部材12の2つの突出部122が互いに所定間隔を空けて配置されることにより、これらの突出部112間及び突出部122間には、各種部品を配置するための内部空間5が形成されている。当該内部空間5には、第2肩部材12に対してアーム部材3を回転させるためのギア等の動力伝達機構(図示せず)が設けられていてもよい。
図1Bに示すように、アーム部材3は、一直線上に延びる中心軸線33に沿って長尺形状を有しており、第2肩部材12に対向する端面(上端面31)が、当該アーム部材3の長手方向D1に直交する方向(直交方向D2)に対して交差方向に延びるように形成されている。第2肩部材12は、アーム部材3を上端面31に対して直交方向に延びる回転軸線32を中心に回転可能に保持する保持部材として機能している。
このように、アーム部材3を長手方向D1に対して交差方向に延びる回転軸線32を中心に回転させる関節(いわゆるオフセット関節)を用いることにより、回転軸線32を中心とするアーム部材3の回転位置に応じて、当該アーム部材3の第2肩部材12に対する角度を変化させることができる。直交方向D2に対するアーム部材3の上端面31の傾斜角度θ、すなわちアーム部材3の長手方向D1に対する回転軸線32の傾斜角度θは、必要なアーム部材3の角度変化量に応じて適宜に設定可能であり、本実施形態では上記傾斜角度θが30°に設定されている。
本実施形態では、アーム部材3の上端面31は円形状の端面からなり、第2肩部材12のアーム部材3に対向する端面(下端面123)は、アーム部材3の上端面31の端面形状に対応する円形状の端面からなる。アーム部材3の上端面31と第2肩部材12の下端面123は、完全に一致する円形状であることが好ましいが、若干量の外径の相違があってもよい。
図2は、図1Bにおけるアーム部材3及び第2肩部材12の連結部分のB−B断面図である。本実施形態では、アーム部材3及び第2肩部材12の互いに対向する端面31,123は円形状であるが、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分を上記端面31,123に対して交差方向に切断したときの断面は、円形状とはならず、楕円形状となっている。
図2の例では、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分は、当該連結部分をアーム部材3の中心軸線33に対して直交方向D2に切断したときの断面が、アーム部材3と第2肩部材12との境界線L1の方向に長軸LA、当該境界線L1に対して直交する方向に短軸SAを有する楕円形状となるように形成されている。長軸LA方向の径(長径)と短軸SA方向の径(短径)との比は、上記傾斜角度θの大きさに依存しており、当該傾斜角度θが大きいほど短径に対する長径の比が大きくなる。
この図2の例では、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分をアーム部材3の中心軸線33に対して直交方向D2に切断したときの断面が示されているが、当該直交方向D2に対して交差し、かつ、上記端面31,123に対して交差する方向に切断したときの断面も楕円形状となる。
本実施形態では、アーム部材3及び第2肩部材12の互いに対向する端面31,123がそれぞれ対応する円形状からなるため、アーム部材3が第2肩部材12に対していずれの回転位置にある場合であっても、端面31,123同士が常に重なり合い、アーム部材3の端縁が大きく突出することがない。したがって、アーム部材3の端縁が周囲の物や人間に接触するのを防止できるので、安全性及び作業性を向上することができる。
また、本実施形態のように、アーム部材3及び第2肩部材12の各端面31,123は円形状とし、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分を上記端面31,123に対して交差方向に切断したときの断面は円形状とはならないようにすれば、連結部分が図7(a)のような球面形状の異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのを防止できる。したがって、安全性及び作業性を向上することができる。
特に、本実施形態のように、アーム部材3及び第2肩部材12の各端面31,123は円形状とし、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分を上記端面31,123に対して交差方向に切断したときの断面は楕円形状とすることにより、表面の起伏の変化をより小さくすることができ、安全性及び作業性をより向上することができる。
さらに、本実施形態では、図1Bに示すように、アーム部材3が一直線上に延びる中心軸線33に沿って長尺形状とされ、当該中心軸線33がアーム部材3の円形状の端面31の中心部34を通るように構成されている。この場合、アーム部材3及び第2肩部材12の連結部分が図7(b)のような湾曲形状の異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのをより効果的に防止できる。したがって、安全性及び作業性をさらに向上することができる。上記中心部34には、アーム部材3の円形状の端面31の中心だけでなく、当該中心から若干ずれた領域が含まれていてもよい。
図3Aは、アーム部材3の形状の一例を示した図であり、(a)は斜視図、(b)は正面図を示している。図3Bは、アーム部材3の形状の他の例を示した図であり、(a)は斜視図、(b)は正面図を示している。
アーム部材3の外周面の表面形状は、CAD(Computer Aided Design)に用いられるソフトウエアのスイープ機能によって設計することができる。このスイープ機能は、自由曲線を生成するための機能であり、例えばCoons曲線、Bezier曲線、Gregory曲線、B−Spline曲線、NURBS(Non-Uniform Rational B-spline)曲線などの自由曲線によってアーム部材3の外周面の表面形状を設計することができる。
図3A及び図3Bの例では、アーム部材3の上端面31が円形状に形成されるとともに、当該上端面31に対して交差方向、より具体的にはアーム部材3の中心軸線33に対して直交方向に延びるアーム部材3の下端面35も円形状に形成されている。アーム部材3の上端面31及び下端面35の形状は、図3A及び図3Bのいずれの例においても同じ形状であるが、外周面36の形状が異なっている。
図3Aの例では、アーム部材3の外周面が一定の角度で傾斜している。これに対して、図3Bの例では、アーム部材3の外周面の傾斜角度が長手方向の各位置において変化することにより、当該外周面が凹湾曲した形状となっている。ただし、アーム部材3の外周面の形状としては、図3A及び図3Bに示した形状に限らず、上端面31と下端面35とを起伏が小さい滑らかな面で接続するような形状であれば、例えば凸湾曲した形状など、他の各種形状を採用することができる。
図4は、別実施形態に係るオフセット関節機構の一例を示した斜視図である。図5は、図4のオフセット関節機構の側面図(a)及び各アーム部材3,103の端面31,131を垂直方向から見た図(b)、(c)である。上記実施形態では、アーム部材3と第2肩部材12との連結部分にオフセット関節機構が適用された構成について説明したが、本発明に係るオフセット関節機構は、アーム部材3と第2肩部材12との連結部分に限らず、アーム部材同士の連結部分など、他の各種連結部分に適用可能である。本実施形態では、アーム部材3,103同士の連結部分にオフセット関節機構を適用した例について説明する。
本実施形態では、互いに連結された2つのアーム部材3,103のうち、一方のアーム部材が、他方のアーム部材を回転可能に保持する保持部材として機能する。これらのアーム部材3,103の互いに対向する端面、すなわちアーム部材3の上端面31及びアーム部材103の下端面131は、図5(b)及び(c)に示すように、それぞれ円形状、より好ましくは真円とされ、アーム部材3,103の連結部分を上記端面31,131に対して交差方向に切断したときの断面は円形状とはならないようにされている。この場合、連結部分が図7(a)のような球面形状の異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのを防止できる。したがって、安全性及び作業性を向上することができる。
さらに、本実施形態では、2つのアーム部材3,103がいずれも一直線上に延びる中心軸線33,133に沿って長尺形状とされ、回転軸線32を中心とする所定の回転角度(図4に示す回転角度)において、2つのアーム部材3,103の各中心軸線33,133が同一直線上に位置するように構成されている。この場合、アーム部材3,103の連結部分が図7(b)のような湾曲形状の異形連結部位とはならず、人間の腕に近い形状にすることができる。これにより、例えば当該連結部分が周囲の物にぶつかったり、細い作業領域に進入できないなどの問題が生じるのをより効果的に防止できる。したがって、安全性及び作業性をさらに向上することができる。
この例では、2つのアーム部材3,103が互いに回転可能に連結された構成について説明したが、このような構成に限らず、3つ以上のアーム部材3,103が互いに回転可能に連結され、それらの互いに対向する端面が円形状に形成された構成であってもよい。
2 肩関節機構
3 アーム部材
4 回転軸
11 第1肩部材
12 第2肩部材
31 上端面
32 回転軸線
33 中心軸線
34 中心部
123 下端面
103 アーム部材
131 下端面
133 中心軸線
D1 長手方向
D2 直交方向

Claims (4)

  1. アーム部材が保持部材により回転可能に保持されたオフセット関節機構であって、
    前記アーム部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記保持部材に対向する端面が、当該アーム部材の長手方向に直交する方向に対して交差方向に延びる円形状の端面からなるとともに、前記中心軸線が前記円形状の端面の中心部を通り、
    前記保持部材は、前記アーム部材に対向する端面が、前記アーム部材の端面形状に対応する円形状の端面からなり、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線を中心に前記アーム部材を回転可能に保持し、
    前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、円形状とはならないように形成されていることを特徴とするオフセット関節機構。
  2. アーム部材が保持部材により回転可能に保持されたオフセット関節機構であって、
    前記アーム部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記保持部材に対向する端面が、当該アーム部材の長手方向に直交する方向に対して交差方向に延びる円形状の端面からなり、
    前記保持部材は、一直線上に延びる中心軸線に沿って長尺形状を有しており、前記アーム部材に対向する端面が、前記アーム部材の端面形状に対応する円形状の端面からなり、当該端面に対して直交方向に延びる回転軸線を中心に前記アーム部材を回転可能に保持するとともに、前記回転軸線を中心とする所定の回転角度において、前記アーム部材及び前記保持部材の各中心軸線が同一直線上に位置するようになっており、
    前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、円形状とはならないように形成されていることを特徴とするオフセット関節機構。
  3. 前記アーム部材及び前記保持部材の連結部分は、前記端面に対して交差方向に切断したときの断面が、楕円形状になるように形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のオフセット関節機構。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のオフセット関節機構と、
    前記保持部材に対して前記アーム部材を回転させるための動力伝達機構とを備えたことを特徴とするロボット。
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JPWO2018021171A1 (ja) * 2016-07-26 2018-07-26 Groove X株式会社 多関節ロボット

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