JP3626857B2 - 関節固着機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットマニュピレータ及びロボットハンドグリッパの関節の固着、固定を行う関節固着機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４乃至図７に従来の関節固着機構を示す。図４は、従来の関節固着機構１０１を関節リンク機構３に装着した場合の平面図、図５は、図４の関節リンク機構３の作動状態を概略的に表した正面図、図６は、図４の関節固着機構の変形例を表した平面図、図７は、図４の関節固着機構の他の変形例を表した平面図である。
この関節固着機構１０１は、図４に示すように、後方リンク３１に固定された軸３３に軸受３４を介して前方リンク３２が回転できるように配置された関節リンク機構３に対し、両リンク３１、３２に連結された電磁クラッチ１０２（ブレーキ）の作動と非作動との切替えにより前方リンク３２の回転を許容又は拘束するものである。すなわち、この関節固着機構１０１は、前方リンク３２を回転させるための何らかの駆動トルクＴ’_Ｘを固着すること、もしくは、図５に示すように、対象物１０３に接触した際に発生する効力Ｆ’によって両リンク３１、３２に作用するトルクＴ’_Ｆを固着することを目的とする。
こうして、前方リンク３２は、電磁クラッチ１０２により後方リンク３１に対して回転し、または固着する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
関節固着機構１０１は、駆動トルクＴ’_ＸやトルクＴ’_Ｆを直接制動する必要があり、現状技術の平板摩擦によるクラッチ１０４（ブレーキ）では、駆動トルクＴ’_ＸやトルクＴ’_Ｆの増大に対しては、図６に示すように、その強度から求まる両リンク３１、３２の寸法に比べて大型化してしまう。
その対策として、図７に示すように、ギアトレイン１０５を用いて電磁クラッチ１０２（ブレーキ）に作用するトルクＴ’_Ｘ、Ｔ’_Ｆを小さくすることが考えられる。この場合には、トルク制動力を小さくすることができ、より小型クラッチ１０６（ブレーキ）を用いて両リンク３１、３２を固着することができるが（図６参照）、その一方で、後方リンク３１への取付部分が長くなってしまい（図７参照）、両リンク３１、３２で構成される関節リンク機構３を多数連結する上で、実質的に大型化してしまう。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、トルクが増大する場合や関節リンク機構を多数連結する場合でも、装置全体として小型化が可能な関節固着機構を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、ロボット等の関節固着機構において、その関節の回転動作を固着、固定させる機構で、回転動作を行う関節部外周に回転を直動に変換するプレートを介して２本の直動ピストンを装着し、ピストンを支持するシリンダ室および両シリンダ室を結合し、シリンダ室の断面積より小さい断面積の管路及びその管路内の流体の流れを止めるアクチュエータで駆動されるピストンで構成されている。
ピストンは、流体の流れを止める場合の流体の出口側に設けるのが好ましい。また、ピストンは、管路の端部を塞ぐことで流体の流れを止めるように配置するのが好適で、さらに、ピストンの摺動方向は、流体の流れを止めた際にピストンに作用する流体圧力の方向と一致させるのが最適である。
なお、直動ピストンは、実質的に２本であれば良く、３本以上とすることもできる。
【０００５】
なお、流れを止める際の流体の流れが、いずれか一方向に限られる場合には、ピストンを管路の端部の一方側に配置すれば良い。ただし、この場合でも、管路内の流体をいずれの方向においても止めることができるが、逆方向の流体の流れを止めると、ピストンの摺動方向とは異なる方向に流体圧力が作用するので、ピストンには、より多くの強度が必要となる。
一方、ピストンを管路の両端部にそれぞれ配置すると、同様の方式で管路内の流体をいずれの方向においても止めることができ、ピストンの大型化を回避することができる。この場合には、流体の出口側となるピストンを作動させれば良い。また、ピストンを駆動するアクチュエータは、各ピストンにそれぞれ配置しても良く、１つのアクチュエータを共用しても良い。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る関節固着機構の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１乃至図３は、本発明の一実施形態に係る関節固着機構１を表しており、図１は、本発明の一実施形態に係る関節固着機構１を関節リンク機構３に装着した場合の平面図、図２は、図１の平面図、図３は、図１に対応して表した原理説明図である。
なお、本実施形態における関節リンク機構３は、従来と同様の構造である。すなわち後方リンク３１に軸３３が固定されており、前方リンク３２は、この軸３３に軸受３４を介して回動自在に取付けられている。
【０００７】
関節固着機構１は、図１及び図２に示すように、ピストン１１Ａ、ピストン１１Ｂ、シリンダ室１２Ａ、シリンダ室１２Ｂ、管路１３、管路閉ピストン１４及びエアシリンダ１５を備えている。これらは、関節リンク機構３の後方リンク３１側に取付けられている。
ピストン１１Ａは、シリンダ室１２Ａ内で支持され、その内面を摺動するように設けられている。ピストン１１Ｂは、シリンダ室１２Ｂ内で支持され、その内面を摺動するように設けられている。各ピストン１１Ａ、１１Ｂには、ピストンパッキン等でシール処理が施されている。
シリンダ室１２Ａ及びシリンダ室１２Ｂは、ピストン１１Ａの摺動方向とピストン１１Ｂの摺動方向が、前方リンク３２の回動面内において互いに略同一となるように配置されている。シリンダ室１２Ａとシリンダ室１２Ｂは、断面円形で、いずれもその内径がφＤである。
シリンダ室１２Ａとシリンダ室１２Ｂとは、管路１３で結合されている。管路１３は、断面円形で、その内径がφｄであり、シリンダ室１２Ａ及びシリンダ室１２Ｂの内径φＤよりもはるかに小さい（φＤ≫φｄ）。すなわち、管路１３は、断面積Ｓ_２（＝πｄ^２／４）がシリンダ室１２Ａ及びシリンダ室１２Ｂの断面積Ｓ_１（＝πＤ^２／４）より極めて小さい（Ｓ_１≫Ｓ_２）。なお、管路１３は、直線状に設けられており、シリンダ室１２Ａとシリンダ室１２Ｂとを最短で結んでいる。
シリンダ室１２Ａ、シリンダ室１２Ｂ及び管路１３は、水や油等の液体（流体）で満たされている。なお、水を用いると、さび易く、機器の寿命が短くなるおそれがある反面、メンテナンスが容易であり、また、油を用いると、潤滑性に富み、高圧作動も可能である反面、コストが上昇し、メンテナンスに比較的手間がかかるので、これらの性質を踏まえて、使用する液体を決定する。
【０００８】
シリンダ室１２Ａ側に、管路閉ピストン１４が設けられている。この管路閉ピストン１４は、エアシリンダ１５（アクチュエータ）を駆動源として摺動する。その摺動方向は、管路１３の長さ方向と略同一である。管路閉ピストン１４の軸心は、管路１３の中心線の延長線上にある。この管路閉ピストン１４は、エアシリンダ１５の一部分で、エア圧で駆動される。管路閉ピストン１４には、ピストンパッキン等でシール処理が施されている。
管路閉ピストン１４の先端部には閉止部１６が設けられている。閉止部１６は、管路閉ピストン１４が突出したときに（往動）、管路端１７（シリンダ室１２Ａと管路１３との結合部）を塞ぐ。管路閉ピストン１４が没入したときに（復動）、管路端１７を開放する。すなわち、管路閉ピストン１４の出入動作（往復動作）により、シリンダ室１２Ａと管路１３及びシリンダ室１２Ｂとの間における液体の移動を阻止又は許容をする。
なお、閉止部１６は、空気（エア）ではなく、液体の移動を阻止するため、シーリングは比較的容易である。閉止部１６には、例えばゴム等を使用する。
【０００９】
ピストン１１Ａの先端部とピストン１１Ｂの先端部は、それぞれプレート１８に連結されている。プレート２１は板状で、台形の一方の斜辺の下面側（上面側よりも長い。）を切欠いたような形状である（図１参照）。
プレート２１の台形における上面側は、前方リンク３２に４つのねじ２２で固定されている。プレート２１の台形における下面側は、台形における各斜辺の下端部がそれぞれ、ピストン１１Ａの先端部及びピストン１１Ｂの先端部と、連結部１９Ａ、１９Ｂにおいて、軸受１８を介して軸支されている。
こうして、関節固着機構１は、後方リンク３１に固定されており、前方リンク３２は、プレート２１及び軸受１８を介して２本のピストン１１Ａ、ピストン１１Ｂと結合される。
なお、図１は、ピストン１１Ａが突出した状態を表しているが、同図中の１９Ｂ’は、ピストン１１Ｂ側が突出した場合の連結部の位置を表している。
【００１０】
前方リンク３２は、２本のピストン１１Ａ、ピストン１１Ｂで後方リンク３１に拘束される。
シリンダ室１２Ａと管路１３及びシリンダ室１２Ｂとの流体移動許容時においては、前方リンク３２の回動に伴い、ピストン１１Ａ及びピストン１１Ｂが摺動する。プレート２１は、回転を直動に変換している。
すなわち、前方リンク３２が矢印４１（図１参照）の方向に回動動作の運動を行うと、ピストン１１Ａが延び（突出）、ピストン１１Ｂが縮んで（没入）、シリンダ室１２Ａ内の流体は、管路１３を通ってシリンダ室１１Ｂへと、矢印４２（図１参照）の方向に移動する（図１参照）。また、前方リンク３２が矢印４１と逆方向である矢印４３（図３参照）の方向に回動動作の運動を行うと、ピストン１１Ａが縮み（没入）、ピストン１１Ｂが延び（突出）、シリンダ室１２Ｂの流体は、管路１３を通ってシリンダ室１２Ａへと、矢印４４（図３参照）の方向に移動する（図３参照）。
管路閉ピストン１４が、閉止部１６で管路１３の流体の流れを閉じることにより、シリンダ室１２Ａ、１２Ｂの流体の流れが止められ、固着が実現する。固着は、前方リンク３２がどの位置にあっても実現できる。
こうして、関節固着機構１は、管路閉ピストン１４を開放した場合には固着も解放され、管路閉ピストン１４を閉じた場合には固着が作動する。シリンダ１１Ａ、１１Ｂの直動動作を固定、開放することで、後方リンク３１と前方リンク３２とを固着する。
【００１１】
前方リンク３２の回動可能な角度は、ピストン１１Ａ及びピストン１１Ｂのストローク長により定まる。また、前方リンク３２の後方リンク３１に対する相対的な可動範囲は、プレート２１の形状並びに、プレート２１における連結部１９Ａ、１９Ｂの位置により定まる。
なお、ピストン１１Ａとピストン１１Ｂの各ストローク長は同一である。また、プレート２１における連結部１９Ａ、１９Ｂは、両者を結ぶ線上に軸３３（図２参照）の軸心がほぼ位置するように配置している。
【００１２】
シリンダ室１２Ａ及びシリンダ室１２Ｂは、前方リンク３２の回動面内においては、関節部の回動中心からの長さが互いに同じとなるように配置されている（関節部の回動中心から等間隔配置）。このため、前方リンク３２の回動によりピストン１１Ａとピストン１１Ｂに作用するモーメント力を同一にすることができ、回動に伴う流体移動の負荷（流体圧）を同じにすることができる。このモーメント力により、回動時の流体移動を円滑に行うことができ、流体移動の抵抗を最小限に抑えることができる。
ピストン１１Ａ及びピストン１１Ｂの移動方向は、後方リンク３１の長手方向と略同一である。
【００１３】
次に、固着時において関節固着機構１に作用する力について、図３を用いて説明する。
上述したように、回転動作で発生する固着トルクＴによって、ピストン１１Ａには、力Ｆ_Ａ、ピストン１１Ｂに力Ｆ_Ｂが作用する（Ｆ_Ａ＝Ｆ_Ｂ）。この力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂは、固着トルクＴが大きい程、大きい。
力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂによって、シリンダ室１２Ａ、１２Ｂ及び管路１３の流体の流れが発生する。この流体流れを阻止する管路閉ピストン１４には、運動方向に力ｆ＝（Ｓ_２／Ｓ_１）×Ｆ_Ａが作用する。φＤがφｄより十分大きいと、力ｆはどんどん小さくなるので、簡単に関節固着することができる。
すなわち、シリンダ室１２Ａ、１２Ｂの断面積Ｓ_１を管路の断面積Ｓ_２より十分大きくすることで、管路閉ピストン１４の制動力ｆを非常に小さくすることができ、同時に、エアシリンダ１５の小型化も図ることができ、従来技術の課題となる関節固着機構の小型化を実現することができる。
また、回転動作が逆の運動方向であれば、管路閉ピストンに横方向（軸方向と直交する方向）から加わる力Ｆ_Ｂを受けるための強度を持たせておく。
このように、シリンダ室１２Ａ、１２Ｂに比べて十分断面積の小さい管路１３とすることで（Ｓ_１≫Ｓ_２）、関節動作や固着によってピストン１１Ａ、１１Ｂに加わる制動力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂに比べて、シリンダ室１２Ａ、１２Ｂと管路１３との断面積比（Ｓ_２／Ｓ_１＝（πｄ^２／４）／（πＤ^２／４）＝ｄ^２／Ｄ^２）に応じ小さな力Ｆ_Ａ（＝Ｆ_Ｂ）で、上記の管路閉ピストン１４を動かして流体の流れを止め、関節動作を固着することができる。管路閉ピストンで流体の流れを止める力は、ｆ＝（ｄ^２／Ｄ^２）×Ｆ_Ａであり、かなり大きくすることができる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は、関節の回転動作を固着する関節固着機構において、回転動作を行う関節部外周に、回転に伴って回動するプレートを介して装着される２本の直動ピストンと、該直動ピストンをそれぞれ摺動させるシリンダ室と、各シリンダ室を連通し、該シリンダ室の断面積より小さい断面積の管路と、該管路とシリンダ室との結合部を塞ぐことにより流体の流れを止める閉止部とを備え、２本の直動ピストン移動が流体の流れに対して同一方向に移動するようにし、閉止部が管路を閉塞して流体の流れを止める際に、流体の圧力方向と閉止部に作用する流体圧力の方向とが一致するようにしたので、トルクの増大が必要な場合でも間接固着機構を小型化することができ、また、間接リンク機構を多数連結する場合でも、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る関節固着機構を関節リンク機構に装着した場合の一部を断面にした正面図である。
【図２】図１においてピストン１９Ｂが突出した場合の一部を断面にした平面図である。
【図３】図１に対応して表した原理説明図である。
【図４】従来の関節固着機構を関節リンク機構に装着した場合の一部を断面にした平面図である。
【図５】図４の関節リンク機構の作動状態を概略的に表した正面図である。
【図６】図４の関節固着機構の変形例を表した平面図である。
【図７】図４の関節固着機構の変形例を表した平面図である。
【符号の説明】
１ 関節固着機構
１１Ａ、１１Ｂ ピストン
１２Ａ、１２Ｂ シリンダ室
１３ 管路
１４ 管路閉ピストン
１５ エアシリンダ
１６ 閉止部
１７ 管路端
１８、３４ 軸受
１９Ａ、１９Ｂ 連結部
２１ プレート
２２ ねじ
３ 関節リンク機構
３１ 後方リンク
３２ 前方リンク
３３ 軸
４１、４２、４３、４４ 矢印
Ｔ 固着トルク
Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、ｆ 力
Ｄ 内径（シリンダ室１２Ａ、１２Ｂ）
ｄ 内径（管路１３）
Ｓ_１ 断面積（シリンダ室１２Ａ、１２Ｂ）
Ｓ_２ 断面積（管路１３）

Claims (1)

1. 関節の回転動作を固着する関節固着機構において、回転動作を行う関節部外周に、回転に伴って回動するプレートを介して装着される２本の直動ピストンと、該直動ピストンをそれぞれ摺動させるシリンダ室と、各シリンダ室を連通し、該シリンダ室の断面積より小さい断面積の管路と、該管路とシリンダ室との結合部を塞ぐことにより流体の流れを止める閉止部とを備え、２本の直動ピストン移動が流体の流れに対して同一方向に移動するようにし、閉止部が管路を閉塞して流体の流れを止める際に、流体の圧力方向と閉止部に作用する流体圧力の方向とが一致するようにしたことを特徴とする関節固着機構。

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