JP2018187733A - 関節機構、これを用いた多関節マニピュレータ及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
D/d≧15 (1)
であれば、強度効率Eは90%以上となる。軽量化の観点から、(1)式を満足する範囲内で、溝付きプーリ4の直径Dをできる限り小さい値を選択しかつ設計仕様から求められる最大張力で破断しない範囲内で高強度化学繊維ワイヤ5の直径dをできる限り小さい値を選択すればよい。たとえば、溝付きプーリ4の直径D及び高強度化学繊維ワイヤ5の直径dを
D=37.5mm (2)
d=2.0mm (3)
と決定する。この場合、D/d=18.75であり、強度効率Eは100%に近い92%を達成できる。
μ=−(1/θ)ln(T2/T1)
但し、μは溝なしプーリと高強度化学繊維ワイヤ5との摩擦係数たとえば0.04となる、
θは高強度化学繊維ワイヤ5のプーリに対する巻き付け角度(接触角度)
である。他方、図10の(C)に示すごとく、プーリが溝付きの場合、高強度化学繊維ワイヤ5は溝付きプーリ4の溝の両面から垂直抗力Nd2を受けるので、オイラのベルト理論及びVベルトの理論から
μ’=−(1/θ)ln(T2/T1)
但し、μ’は疑似摩擦係数であり、
μ’=μ/(sin(α/2)+μcos(α/2))
となる。実際には、図12に示すごとく、疑似摩擦係数μ’は高強度化学繊維ワイヤ5は柔らかいことから理論値と異なる傾向にあり、溝付きプーリ4の溝底径φにも依存する。たとえば、θ=1350°(つまり、3回転+270°)、α=30°、φ=1.5mmのときには、
μ’=0.071
であった。尚、理論値μ’は0.145である。
θ=−(1/μ’)ln(T2/T1)
=−(1/0.071)ln(0.5/0.98)
=543°(つまり、1回転+183°)
尚、理論値μに対する張力減衰率(T2/T1)を示す図14を参照すると、溝なしプーリの場合、θ≒1000°であり、θ=543°は大幅に小さいことが分る。但し、α=30°の場合の理論値μ=0.0145の場合のθ≒300°より大きい。
直径D=37.5mm
溝角度α=30°
溝底径φ=1.5mm
として、高強度化学繊維ワイヤ5については、
直径2.0mm
巻き付け角度(接触角度)θ=543°
とする。
2:関節
3−1、3−2:リンク
4:溝付きプーリ
5:高強度化学繊維ワイヤ
5a:固定端部
101−0:固定リンク
101−1、101−2、…:リンク
102−1、102−2、…:関節
103:基台
104(1、1)、104(1、2)、104(1、3);104(2、2)、104(2、3)、104(3、3):プーリ
105−1、105−2、105−3、…:ワイヤ
105−1a、105−2a、105−3a、…:固定端部
106−1、106−2、…:アクチュエータ(モータ)
Claims (10)
- 基台と、
複数の関節と、
前記関節によってシリアルに連結され、前記基台に結合された複数のリンクと、
前記関節に摺動可能に軸着された複数のプーリと、
前記プーリに巻き架された複数の軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤと、
前記各高強度化学繊維ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと
を具備し、
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤが巻き架された最外側のプーリは溝付きプーリとし、
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部は前記最外側のリンクに固定されている多関節マニピュレータ。 - 前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤは高強度化学繊維よりなる請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
- 前記高強度化学繊維は高強度ポリエチレン、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、PBO繊維及び炭素繊維のいずれか1つである請求項2に記載の多関節マニピュレータ。
- 前記溝付きプーリは溝角度及び溝底径によって定義された溝を有する請求項1に記載の多関節マニピュレータ。
- 溝付きプーリと、
前記溝付きプーリに巻き架された軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤと
前記溝付きプーリに回転可能に結合され、前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部が固定されたリンクと
を具備する関節機構。 - 前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤは高強度化学繊維よりなる請求項5に記載の関節機構。
- 前記高強度化学繊維は高強度ポリエチレン、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、PBO繊維及び炭素繊維のいずれか1つである請求項6に記載の関節機構。
- 前記溝付きプーリは溝角度及び溝底径によって定義された溝を有する請求項5に記載の関節機構。
- 請求項1に記載の多関節マニピュレータの製造方法であって、
前記溝付きプーリの直径Dと前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dとの比D/dが所定値以上である前記溝付きプーリの直径D及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dを決定するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部の強度効率を評価するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤを前記溝付きプーリに巻き付けた場合の強度効率に応じて前記溝付きプーリの溝構造を決定するための工程と、
前記溝構造が決定された前記溝付きプーリに対する前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの疑似摩擦係数を測定するための工程と、
前記疑似摩擦係数及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤによる摩擦力による前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの張力減衰率に応じて前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの前記溝付きプーリの巻き付け角度を演算するための工程と
を具備する多関節マニピュレータの製造方法。 - 請求項5に記載の関節機構の製造方法であって、
前記溝付きプーリの直径Dと前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dとの比D/dが所定値以上である前記溝付きプーリの直径D及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dを決定するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部の強度効率を評価するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤを前記溝付きプーリに巻き付けた場合の強度効率に応じて前記溝付きプーリの溝構造を決定するための工程と、
前記溝構造が決定された前記溝付きプーリに対する前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの疑似摩擦係数を測定するための工程と、
前記疑似摩擦係数及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤによる摩擦力による前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの張力減衰率に応じて前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの前記溝付きプーリの巻き付け角度を演算するための工程と
を具備する関節機構の製造方法。
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