JP2016083722A - ロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】可動範囲内で特異点姿勢を構造上解消又は減少させることのできるロボットアーム機構を提供すること。
【解決手段】ロボットアーム機構は、複数の関節部Ｊ１−Ｊ６を有する。複数の関節部うち第１関節部Ｊ１は第１軸ＲＡ１を中心とした回転関節であり、第２関節部Ｊ２は第２軸ＲＡ２を中心とした回転関節であり、第３関節部Ｊ３は第３軸ＲＡ３を中心とした直動関節である。第２軸ＲＡ２は、第１軸ＲＡ１に対して垂直に設けられ、第１軸ＲＡ１から第1の距離Ｌ１を離れた位置に配置されている。第３軸ＲＡ３は、第２軸ＲＡ２に対して垂直に設けられ、第２軸ＲＡ２から第２の距離Ｌ２を離れた位置に配置されている。
【選択図】 図４

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

図１４には従来の垂直多関節部アーム機構を示している。垂直多関節部アーム機構には位置に関して３自由度（ｘ，ｙ，ｚ）、姿勢に関して３自由度（φ，θ，ψ）が要求され、一般的には根元３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と手首３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６とからそれを実現している。例えば関節部Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６にはねじり関節部、関節部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５には曲げ関節部が適用される。

この種の多関節アーム機構では可動範囲内にも関わらず特異点というある特定方向の自由度が失われてしまう姿勢が無数に存在する。特異点姿勢では、直交座標と関節部角度の組との間の座標変換演算で解（ある座標位置を満足する関節部角度の組）が無数に存在して制御不能に陥り、また関節部に無限大の角速度を要求して特異点近傍で関節部の動きが急激に早くなり「暴走」が生じる。そのため特異点を避けて使用するか、あるいは手先移動速度を犠牲にする等で対処しているのが現状である。特異点としては例えば図１５（ａ）に示すように曲げ関節部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５を全てゼロ度とすることでねじり関節部Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６の回転軸ＲＡ１，ＲＡ４，ＲＡ６が同軸となるいわゆる手首特異点と呼ばれる状況ではこれらねじり関節部Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６の回転角を一義に決められない。この事態は少なくとも２つのねじり関節部が同軸に揃う状況で同様に発生する。その他特異点姿勢としては、図１５（ｂ）に示すように手首３軸のための関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の回転軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６の交点が、アーム基部をなすねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１上に位置するいわゆる肩特異点、図１５（ｃ）に示すように手首３軸のための関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の回転軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６の交点が、根元３軸の曲げ関節部Ｊ２，Ｊ３の回転軸ＲＡ２，ＲＡ３を含む平面上に位置するいわゆる肘特異点などが知られている。

目的は、可動範囲内で特異点姿勢を構造上解消又は減少させることのできるロボットアーム機構を提供することを目的とする。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、複数の関節部を有する。複数の関節部うち第１関節部は第１軸を中心とした回転関節であり、複数の関節部うち第２関節部は第２軸を中心とした回転関節であり、複数の関節部うち第３関節部は第３軸を中心とした直動関節である。第２軸は、第１軸に対して垂直な方向に設けられ、第１軸から第1の距離を離れた位置に配置される。第３軸は、第２軸に対して垂直な向きに設けられ、第２軸から第２の距離を離れた位置に配置にされる。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す斜視図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の内部構造を断面方向から見た図である。 図４は、図１のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。 図５は、図４のオフセット距離Ｌ１，Ｌ２の一例を示す図である。 図６は、図４のオフセット距離Ｌ１，Ｌ２の他の例を示す図である。 図７は、本実施形態により特定の姿勢が特異点姿勢にならないことを示す図である。 図８は、図４のオフセット距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の一例を示す図である。 図９は、図８のオフセット距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の他の例を示す図である。 図１０は、図８のオフセット距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のさらに他の例を示す図である。 図１１は、本実施形態における特異点が発生しない構造を示す図である。 図１２は、本実施形態によるロボットアーム機構のリンク長を示す図である。 図１３は、本実施形態により解消される特異点姿勢を示す図である。 図１４は、従来の典型的な垂直多関節部ロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。 図１５は、従来の典型的な特異点姿勢を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。図２、図３は図１のロボットアーム機構の内部構造を示している。図４は図１のロボットアーム機構を図記号表現により示している。ロボットアーム機構は、略円筒形状の基部１と基部１に接続するアーム部２とを有する。ロボットアーム部２の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器３が取り付けられる。図１では手先効果器３として対象物を把持可能なハンド部を図示している。手先効果器３としてはハンド部に限定されず、他のツール、またはカメラ、ディスプレイであってもよい。ロボットアーム部２の先端には任意の種類の手先効果器３に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。

ロボットアーム部２は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３軸ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６はハンド部３の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つは直動関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動関節、特に伸縮距離の比較的長い関節部として構成される。第１関節部Ｊ１は台座面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的に伸縮する関節である。第４関節部Ｊ４は、第３移動軸ＲＡ３に一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節であり、第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

第１関節部Ｊ１のねじり回転によりアーム部２がハンド部３とともに旋回する。第２関節部Ｊ２の曲げ回転によりアーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２を中心に起伏動をする。基部１を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１支持体１１ａはアーム部２の旋回とともに軸回転する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。アーム部２の直動関節部を構成する第３関節部Ｊ３の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

第１関節部Ｊ１は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において台座に固定される。回転部には第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとが取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１、第２、第３支持体１１ａ、１１ｂ、１１ｃが第１回転軸ＲＡ１を中心としてアーム部２とハンド部３と共に旋回する。

第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動すると、アーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、ねじり関節部としての第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１に垂直に設けられる。

上記の通り関節部としての第３関節部Ｊ３はアーム部２の主要構成物を構成する。アーム部２の先端に上述のハンド部３が設けられる。第１乃至第６関節部Ｊ１−Ｊ６の回転、曲げ、伸縮によりハンド部３の2指ハンド１６を任意の位置・姿勢に配置することが可能である。特に第３関節部Ｊ３の直動伸縮距離の長さは、基部１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にハンド部３で作用することを可能にする。

第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮アーム機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮距離の長さは、図２、図３に示す構造により達成される。直動伸縮アーム機構は第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とを有する。アーム部２が水平に配置される基準姿勢では、第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０の下部に位置し、第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１の上部に位置する。

第１連結コマ列２１は、同一の断面コ字形状を有し、ピンにより背面箇所において列状に連結される複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ２３の断面形状及びピンによる連結位置により第１連結コマ列２１はその背面方向ＢＤに屈曲可能であるが逆に表面方向ＦＤには屈曲不可な性質を備える。第２連結コマ列２０は、第１連結コマ２３と略等価な幅を有する略平板形状を有し、背面方向と表面方向とともに屈曲可能な状態でピンにより列状に連結される複数の第２連結コマ２２からなる。第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０と先端部おいて結合コマ２６により結合される。結合コマ２６は、第１連結コマ２３と第２連結コマ２２とが一体的になった形状を有している。結合コマ２６が始端となって、第３支持部１１ｃから第２連結コマ列２０が第１連結コマ列２１とともに送り出されるときには、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは互いに接合される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは先端部おいて結合コマ２６により結合され、それぞれ後部において第３支持体１１ｃの内部で堅持され引き抜き防止されることにより接合状態が保持される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とが接合状態が保持されたとき、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０の屈曲は制限され、それにより第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とにより一定の剛性を備えた柱状体が構成される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とが互いに離反するとき、屈曲制限を解除され、それぞれが屈曲可能状態に復帰する。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持体１１ｃの開口付近で接合され、送り出される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持体１１ｃの内部で離反され、それぞれが屈曲可能状態となる。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは個々に屈曲され、第１支持体１１ａの内部に別体として収容される。

図２に示すように第２連結コマ２２の内側には個々にリニアギア２２ａが形成されている。リニアギア２２ａは第２連結コマ２２が直線状になったときに連結され、連続的なリニアギアを構成する。図３に示すように第２連結コマ２２は第３支持体１１ｃ内でローラＲ１とドライブギア２４ａとの間に挟まれる。リニアギア２２ａはドライブギア２４ａに噛み合わされる。モータＭ１によりドライブギア２４ａが順回転することにより第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１とともに第３支持体１１ｃから送り出される。その際、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持体１１ｃの開口付近に設けられた一対の上下ローラＲ２，Ｒ４に挟まれ、相互に押圧され、接合された状態で第３移動軸ＲＡ３に沿って直線的に送り出される。モータＭ１によりドライブギア２４ａが逆回転することにより第２連結コマ列２０と第１連結コマ列２１とは第３支持体１１ｃの内部であって上下ローラＲ２，Ｒ４の後方において接合状態を解除され、互いに離反される。離反された第２連結コマ列２０と第１連結コマ列２１とはそれぞれ屈曲可能な状態になり、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃの内部に設けられたガイドレールにガイドされて第１回転軸ＲＡ１に沿う方向に屈曲され、第１支持体１１ａの内部に収容される。

ハンド部３は、図１に示すようにアーム部２の先に装備されている。ハンド部３は、第１、第２、第３関節部Ｊ１．Ｊ２．Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。ハンド部３は、開閉される２つの指部１６ａ、１６ｂを有している。第４関節部Ｊ４は、アーム部２の伸縮方向に沿ったアーム部２の中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に典型的には一致する回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、第４関節部Ｊ４から先端にかけてハンド部３が回転軸ＲＡ４を中心に回転する。

第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の移動軸ＲＡ４に対して直交する回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてハンド部１６とともに上下に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に垂直な回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転するとハンド１６が左右に旋回する。

図４には図１のロボットアーム機構を図記号表現により示している。ロボットアーム機構は、根元３軸を構成する第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３、さらに手首３軸を構成する第４関節部Ｊ４と第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とにより３つの位置自由度と３つの姿勢自由度を実現する。第１関節部Ｊ１は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとの間に配設されており、回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節として構成されている。回転軸ＲＡ１は第１関節部Ｊ１の固定部が設置される台座の基準面ＢＰに垂直に配置される。回転軸ＲＡ１に平行にＺ軸を規定する。説明の便宜上、Ｚ軸を中心とした第１関節部Ｊ１の回転とともに回転する回転座標系（ＸＹＺ）を規定する。

第２関節部Ｊ２は回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節として構成される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は回転座標系上のＸ軸に平行に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して垂直な向きに設けられる。さらに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対してＹ軸方向に離された位置に配置される。つまり第２関節部Ｊ２はその回転軸ＲＡ２が第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１と第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とに直交する方向に第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１から離れた位置に配置される。その方向に第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１から所定距離（オフセット距離）Ｌ１を離されている。それにより第２関節部Ｊ２はその回転軸ＲＡ２が第１関節部Ｊ１に対してその回転軸ＲＡ１に交差しない（オフセット）された状態で設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２が第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して上記方向にオフセット距離Ｌ１をオフセットされるように、第２支持体１１ｂは第１支持体１１ａとともに構造されている。第１関節部Ｊ１に第２関節部Ｊ２を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が直角に曲がった２つの鈎形状体が組み合わされたクランク形状を有している。この仮想的なアームロッド部分は、中空構造を有する第１、第２支持体１１ａ、１１ｂにより構成される。

なお、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２が第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して上記の通りオフセットされるように第２関節部Ｊ２を第１関節部Ｊ１に対して構造上配置することには、第２関節部Ｊ２の構造的中心を第１関節部Ｊ１の構造的中心に対してオフセット距離Ｌ１だけＹ軸方向にオフセットして配置することはもちろん、それに加えてＸ軸方向、つまり第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に沿った方向にも任意距離をオフセットして配置する構成を含んでいる。

第３関節部Ｊ３は移動軸ＲＡ３を中心とした直動関節として構成される。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第２関節部Ｊ２の回転角がゼロ度、つまりアーム部２の起伏角がゼロ度であってアーム部２が水平な基準姿勢においては、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とともに第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１にも垂直な方向に設けられる。回転座標系上では、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３はＸ軸及びＺ軸に対して垂直なＹ軸に平行に設けられる。さらに、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２から、その回転軸ＲＡ２及び移動軸ＲＡ３に直交する方向に離されている。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３と第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２との間の距離（オフセット距離）はＬ２である。移動軸ＲＡ３は回転軸ＲＡ２に交差しない（オフセットされている）。

このように第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して垂直に設けられ、且つ第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２からオフセット距離Ｌ２を離された位置に配置されており、このように第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３が第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して位置するように、第３関節部Ｊ３が第２関節部Ｊ２に対して構造上配置されている。第２関節部Ｊ２に第３関節部Ｊ３を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が垂直に曲がった鈎形状体を有している。この仮想的なアームロッド部分は、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃにより構成される。

なお、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３が第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して上記の通りオフセットされるように第３関節部Ｊ３を第２関節部Ｊ２に対して構造上配置することには、第３関節部Ｊ３の中心線（移動軸ＲＡ３）を第２関節部Ｊ２の構造的中心に対してオフセット距離Ｌ２だけオフセットして配置することはもちろん、それに加えてＸ軸方向、つまり第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に沿った方向にも任意距離をオフセットして配置する構成を含んでいる。

第４関節部Ｊ４は回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節として構成される。第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に略一致するよう配置される。第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節として構成される。第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３及び第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ６を中心としたねじり関節として構成される。第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６は第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は手先効果器としてのハンド部３を旋回するために設けられており、その回転軸ＲＡ６が第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交する曲げ関節として実装されていてもよい。

図５に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対する第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３のオフセット距離Ｌ２とは異なる。図５（ａ）に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対する第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３のオフセット距離Ｌ２より長く設定される。図５（ｂ）に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対する第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３のオフセット距離Ｌ２より短く設定されてもよい。

なお図６（ａ）に示すように、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１を所定値に維持し、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対する第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３のオフセット距離Ｌ２をゼロ値してもよい。つまり第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２をオフセットさせ、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対しては第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３はオフセットさせないで第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対しては第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３を直交させてもよい。また図６（ｂ）に示すように、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対する第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３のオフセット距離Ｌ２を所定値に維持し、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１をゼロ値にしてもよい。つまり第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３をオフセットさせ、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対しては第２関節部Ｊ２の移動軸ＲＡ２はオフセットさせないで第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対しては第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を直交させてもよい。

本実施形態によれば複数の関節部Ｊ１−Ｊ６の特に根元３軸のうちの少なくとも一つの曲げ関節部を直動関節部に換装し、さらに図５に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２をオフセット距離Ｌ１だけ離間し、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３をオフセット距離Ｌ１と異なるオフセット距離Ｌ２だけ離間させることにより、また図６に示すようにオフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との一方をゼロ値として、回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ２、回転軸ＲＡ２と移動軸ＲＡ３の一方だけを離間させることにより、図５、図６に示すようにアーム部２を最大に伸ばすよう曲げ関節部Ｊ２，Ｊ５を回転させたとしても、ねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１は他のねじり関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４とはオフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２の差だけずれる配置が実現されるので図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すようにねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４とは一直線に揃うことはなく、したがって当該特異点姿勢を構造上解消することが実現される。

なお、図７に示すように曲げ関節部Ｊ２，Ｊ５の回転軸ＲＡ２，ＲＡ５が垂直方向に一直線状に配列されあたかも特異点姿勢とも考えられるものであるが、本実施形態では第３関節部Ｊ３を直動関節としたことにより第３関節部Ｊ３の伸縮により当該配列を回避できるのであるから特異点姿勢ではなく、したがって特異点姿勢を構造上効果的に解消され得ていることが容易に理解されるであろう。

さらに本実施形態においては図８に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１が、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ２より長い場合において、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）と相違するよう第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とが配設される。図８（ａ）に示すように第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）より短く設けられ、または図８（ｂ）に示すように第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）より長く設けられる。

同様に図９に示すように第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ１が、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対する第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２のオフセット距離Ｌ２より短い場合において、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）と異なるよう第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とが配設される。図９（ａ）に示すように第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）より短く設けられ、または図９（ｂ）に示すように第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）より長く設けられる。

回転軸ＲＡ５と回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差と実質的に同一であるとき、図１３（ａ）に示すように基準姿勢から曲げ関節部Ｊ２を９０度回転させ、曲げ関節部Ｊ５を逆方向に９０度回転させた場合、また図１３（ｂ）に示すように基準姿勢から曲げ関節部Ｊ２を９０度回転させ、曲げ関節部Ｊ５を同方向に９０度回転させた場合には、ねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とは一直線に揃う特異点姿勢が生じる。しかし図８、図９に示したように回転軸ＲＡ５と回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３を、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差と相違させるように第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とを配設することにより、図８（ａ）、図９（ａ）に示すようにねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とを、回転軸ＲＡ５と回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３を、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差から減算した距離だけオフセットさせることができ、ねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とが一直線に揃う特異点姿勢を構造上解消することができる。同様に図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すようにねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とを、回転軸ＲＡ５と回転軸ＲＡ６との距離Ｌ３から、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差を減算した距離だけオフセットさせることができ、ねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とが一直線に揃う特異点姿勢を構造上解消することができる。

なお、図１０に例示する特定の条件の下では、曲げ関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と曲げ関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）に一致する構造を採用してもよい。当然にして曲げ関節部Ｊ２の起伏角（回転角）θ1にはその構造上の回転限界がある。なお曲げ関節部Ｊ２の起伏角（回転角）θ1はアーム部２が水平姿勢、換言すると直動関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３が水平にあるときの角度をゼロ度として上方をプラス角、下方をマイナス角として表したものである。また曲げ関節部Ｊ５の回転角θ2は曲げ関節部Ｊ５とねじり関節部Ｊ６との中心点間軸（リンク軸）ＬＡ５６が直動関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に一致するときの角度をゼロ度として上方をプラス角、下方をマイナス角として表したものである。図１０では最大起伏角（最大回転角）をθ1maxと表記する。また曲げ関節部Ｊ５の回転角θ2にもその構造上の回転限界があり、その最大回転角をθ2maxと表記する。ねじり関節部Ｊ４が基準角、つまり曲げ関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５が曲げ関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して平行になる姿勢において、これら曲げ関節部Ｊ２の最大回転角θ1maxと曲げ関節部Ｊ５の最大回転角θ2maxをもってしても曲げ関節部Ｊ５とねじり関節部Ｊ６のリンク軸ＬＡ５６が水平には至らない条件の下では、ねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６はねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して平行になることはなく、したがって当該姿勢は特異点姿勢にはならないといえる。典型的には、曲げ関節部Ｊ２の最大回転角θ1maxが９０°未満であり、曲げ関節部Ｊ５の最大回転角θ2maxが（９０°＋（９０°−θ1max））未満である。この条件においては、本実施形態に係るロボットアーム機構は、曲げ関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間の距離Ｌ３が、オフセット距離Ｌ１とオフセット距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）に一致するかもしれない。

なお、図１３（ｃ）に示すように基準姿勢から曲げ関節部Ｊ２を９０度以外の角度に回転させ、さらにねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６が垂直になるよう曲げ関節部Ｊ５を回転させた場合、ねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１とねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６とが一直線に揃う特異点姿勢が起こりうる。

本実施形態では図１１に示すように当該特異点姿勢を構造上生じさせないために、曲げ関節部Ｊ２がその構造上の最大起伏角θmax（この場合は９０°超）まで回転した状態でねじり関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６がねじり関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１の手前で停止するように、リンク長（関節中心点間距離）ｄ0−ｄ5の組み合わせが調整される。図１２に示すようにｄ0は第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２との間のリンク長、ｄ1は第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２との間のリンク長、ｄ2は第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３との間のリンク長、ｄ3＋△ｄ（△ｄは直動関節部Ｊ３の最大伸長距離）は第２関節部Ｊ２と第４関節部Ｊ４との間のリンク長、ｄ4は第４間接部Ｊ４と第５関節部Ｊ５との間のリンク長距離、ｄ5は第５間接部Ｊ５と第６関節部Ｊ６との間のリンク長である。

本実施形態によれば可動範囲内での様々な特異点姿勢の発生を構造上の工夫により解消又は減少させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…アーム部、３…手先効果器、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２０…第２連結コマ列、２１…第１連結コマ列、２２…第２連結コマ、２３…第１連結コマ、２６…結合コマ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…オフセット距離。

Claims (13)

1. 複数の関節部を有するロボットアーム機構において、
   前記複数の関節部うち第１関節部は第１軸を中心とした回転関節であり、
   前記複数の関節部うち第２関節部は第２軸を中心とした回転関節であり、
   前記複数の関節部うち第３関節部は第３軸を中心とした直動関節であり、
   前記第２軸は、前記第１軸に対して垂直に設けられ、前記第１軸から第1の距離を離れた位置に配置され、
   前記第３軸は、前記第２軸に対して垂直に設けられ、前記第２軸から第２の距離を離れた位置に配置にされていることを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記第１、第２、第３関節部は基台から順番に配置されることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記第1の距離は前記第２の距離と相違することを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
4. 前記第１の距離は前記第２の距離より長いことを特徴とする請求項３記載のロボットアーム機構。
5. 前記第１の距離は前記第２の距離より短いことを特徴とする請求項３記載のロボットアーム機構。
6. 前記第２軸は、前記第１軸に対して前記第１軸及び前記第２軸に垂直な方向に離れることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
7. 前記第３軸は、前記第２軸に対して前記第２軸及び前記第３軸に垂直な方向に離れることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
8. 前記複数の関節部うち第４関節部は前記第３軸に略一致する第４軸を中心とした回転関節であり、
   前記複数の関節部うち第５関節部は前記第４軸に垂直な第５軸を中心とした回転関節であり、
   前記複数の関節部うち第６関節部は前記第４軸及び前記第５軸に垂直な第６軸を中心とした回転関節であり、
   前記第１乃至第６関節部は基台から順番に配置されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
9. 前記第５軸と前記第６軸との間の距離は、前記第１の距離と前記第２の距離との差と相違することを特徴とする請求項８記載のロボットアーム機構。
10. 前記第５軸と前記第６軸との間の距離は、前記第１の距離と前記第２の距離との差より短いことを特徴とする請求項９記載のロボットアーム機構。
11. 前記第５軸と前記第６軸との間の距離は、前記第１の距離と前記第２の距離との差より長いことを特徴とする請求項９記載のロボットアーム機構。
12. 複数の関節部を有するロボットアーム機構において、
    前記複数の関節部のうち第１関節部は第１軸を中心とした回転関節であり、
    前記複数の関節部のうち第２関節部は前記第１軸に垂直な第２軸を中心とした回転関節であり、
    前記複数の関節部のうち第３関節部は前記第２軸に垂直な第３軸を中心とした直動関節であり、
    前記第２軸は前記第１軸から離れた位置に配置されていることを特徴とするロボットアーム機構。
13. 複数の関節部を有するロボットアーム機構において、
    前記複数の関節部のうち第１関節部は第１軸を中心とした回転関節であり、
    前記複数の関節部のうち第２関節部は前記第１軸に垂直な第２軸を中心とした回転関節であり、
    前記複数の関節部のうち第３関節部は前記第２軸に垂直な第３軸を中心とした直動関節であり、
    前記第３軸は前記第２軸に対して離れた位置に配置されていることを特徴とするロボットアーム機構。