JP4448554B2 - 立体カム機構 - Google Patents

Description

本発明は、支持部材に軸支された所定の回転軸の周りを回転する立体カムのカム案内面に、前記支持部材の他の部分に軸支された従節側リンクが案内されるように構成された立体カム機構に関する。本発明は、例えば、内視鏡、工作機械、ロボット用関節等の製品に適用可能である。しかしながら、これらの技術分野に限定されることなく、さらに、従節側を原動節とした可逆的な立体カムの動作を必要とする広範囲の技術分野にも応用が可能である。

従来、ロボットの指や関節機構は、安全性の向上や高精度の制御特性を得るために、軽量かつノンバックラッシ特性が要求される。さらに、高いコストパフォーマンスを実現するために、シンプルな構造で関節可動範囲の広い多様な目標関節運動が行えることが望ましい。また、関節の使用用途によっては、逆駆動性のない構造を有する必要がある。従来、ロボットのアームや指の関節における動力伝達は、歯車式、ワイヤ式が多用されているが、これらの方式では、前記特性の多くを同時に満足させることができないのが現状である。特に、アクチュエータの回転軸に対して、回転軸が所定の角度をなす従節側の動作を実現する場合、歯車式ではギヤの加工や小バックラッシ化、軽量化が困難である。また、ワイヤ式ではテンションの調節機構、ワイヤの回し機構等、使用される部品数の増加、およびワイヤの延びや干渉による制御性の低下が問題となった。さらに、これらの伝達機構を用いて、より複雑な従節関節運動を実現する場合は、構造が一層複雑となって重量が肥大化し、ウォーム歯車等を用いた場合を除き非逆駆動特性は得られなかった。そのようなことから、駆動側と従節側との間に立体カムを用いて、従節側に円滑な動力の伝達を行うものが提案された。例えば下記特許文献１および２参照。

特開平７−３５７６号公報（公報請求項１参照） 特開２００４−３４６９５９号公報（公報要約書参照）

前記特許文献１に開示されたものは、図４に示すように、回転運動を行うカム本体１０４と、該カム本体１０４に係合しかつ揺動運動を行う従節１０５とを設け、回転運動を揺動運動に変換するもので、カム本体１０４には閉曲線が形成された案内面１１１を設け、この領域の外形Ｅが円弧線をなすように形成し、従節１０５を案内面１１１に係合するとともに、回転軸心が外形Ｅの中心を通過するシャフト１０６に回転不能に連結したものである。

前記特許文献２に開示されたものは、図５に示すように、回転中心線２０２ａ、２０３ａが所定の角度で交差するように配列された第１および第２の回転軸２０２、２０３の間で回転力を伝達するカム式動力伝達機構２０１は、第１の回転軸２０２に取り付けたカム２０４と、第２の回転軸２０３に取り付けたカムフォロワ２０５とを有し、カム２０４は、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られる切断面をカム面２０４ａとし、第１の回転中心線２０２ａが球体の中心を通るように、当該第１の回転軸２０２に連結されており、カムフォロワ２０５は、第２の回転軸２０３の回転中心線２０３ａを中心とする所定半径の円周軌道を描くように、当該第２の回転軸２０３に取り付けたローラ２０５ｅを備えている。一方の回転軸が回転すると、カム２０４のカム面２０４ａに沿ってカムフォロワ２０５のローラ２０５ｅが相対的に摺動して、他方の回転軸が有限回転する。

これらの従来のものにあって、前記図４に示した特許文献１に開示されたものでは、カム本体１０４の表面領域の外形Ｅが円弧線をなし、従節１０５のシャフト１０６がその外形Ｅの中心を通過するので、従節関節はカム本体１０４の軸線１０２に直角に捩じれた軸線１０３を中心とする回動運動（往復運動）のみしか行い得ない。しかも、カム本体１０４の回転を立体カムを介して円滑に従節１０５の揺動運動に変換できるものの、従節１０５のシャフト１０６から歯付きプーリ１０９に動力を伝達するには、従節１０５のみから構成される場合に較べて、セクタギヤ１０８およびピニオン１１０を経る必要があり、ギヤ噛合部におけるバックラッシの発生を防ぎ得ず、依然として変換精度が低下した。また、この従来例のものでは、従節１０５側からの可逆的な動力伝達は不可能ではないものの、円滑な動作は期待できなかった。

また、前記図５に示した特許文献２に開示されたものでは、カムフォロワ２０５が位置する従節側の動作を決定する立体カム２０４のカム面２０４ａの生成は、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られ、歯車式やワイヤ式に較べて、バックラッシの増加やテンション調節機構、ワイヤの回し機構等が不要で、部品数の低減、ワイヤの延びや干渉による制御性の低下はなくなったものの、カム面２０４ａの生成が球体を曲面あるいは平面にて切断して得るものであるため、カムフォロワ２０５側すなわち従節側での挙動が限られてしまい、しかも、カム面２０４ａとカムフォロワ２０５におけるローラ２０５ｅとの案内は１点のみであり、カム機構による動力の伝達が不安定となりがちであった。

そこで、本発明は前記従来の立体カム機構の諸課題を解決して、カム案内面形状の自在な選定を可能として、従節側の目標軌跡の選定の自由度を格段に向上させた、直交軸間の動力伝達に限ることなく、強力かつ確実な動力の伝達が可能で、可逆的な動作も可能な立体カム機構を提供することを目的とする。

このため本発明は、支持部材に軸支された所定のカム回転軸の周りを回転する立体カムのカム案内面に、前記支持部材の他の部分に軸支された従節側リンクが案内されるように構成された立体カム機構において、前記立体カムに、少なくとも一対の３次元的なカム案内面を、所定間隔をおいて独立して形成するとともに、これらのカム案内面に対応して前記従節側リンクの一端に所定の角度にて形成した少なくとも一対のカムフォロワをガイドさせるようにし、立体カムの回転によって、カム案内面のカムフォロワがガイドされることになる周方向位置でのカム回転軸からの半径とカム回転軸方向の高さの両方が徐々に変化するように各カム案内面の３次元的な曲面を設定することで、立体カムの回転運動を従節側リンクの他端の揺動運動に変換し、前記従節側リンク側からの揺動運動を立体カム側の回転運動にも変換可能に構成したことを特徴とする。また本発明は、前記従節側リンクのカムフォロワにガイドローラを軸支して、前記立体カムのカム案内面にガイドさせるように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記従節側リンクにおけるカムフォロワまたはガイドローラを前記立体カムのカム案内面に押し付ける付勢手段を前記カムフォロワまたは従節側リンクに設置したことを特徴とする。また本発明は、前記支持部材を上下に分割構成とするとともに、これら上下支持部材間を相対回転自在に構成したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。

本発明によれば、支持部材に軸支された所定のカム回転軸の周りを回転する立体カムのカム案内面に、前記支持部材の他の部分に軸支された従節側リンクが案内されるように構成された立体カム機構において、前記立体カムに、少なくとも一対の３次元的なカム案内面を、所定間隔をおいて独立して形成するとともに、これらのカム案内面に対応して前記従節側リンクの一端に所定の角度にて形成した少なくとも一対のカムフォロワをガイドさせるようにし、立体カムの回転によって、カム案内面のカムフォロワがガイドされることになる周方向位置でのカム回転軸からの半径とカム回転軸方向の高さの両方が徐々に変化するように各カム案内面の３次元的な曲面を設定することで、立体カムの回転運動を従節側リンクの他端の揺動運動に変換し、前記従節側リンク側からの揺動運動を立体カム側の回転運動にも変換可能に構成したことにより、カム案内面形状の自在な選定を可能として、従節側の目標軌跡の選定の自由度を格段に向上させることができ、支持部材の形状の選定と相まって、直交軸間の動力伝達に限定されることもなく、また、バックラッシを伴うことなしに、カム案内面形状の自在な設計により立体カムの円滑な動作が得られる。また、前記従節側リンク側からの揺動運動を立体カム側の回転運動にも変換可能であるから、カム案内面形状の自在な設計により、従節側を原動節とした可逆的な立体カムの動作も容易に得られる。また、少なくとも一対のカム案内面にそれぞれ案内される少なくとも一対のカムフォロワにより、強力かつ確実な動力の伝達が可能となる。

さらに、前記従節側リンクのカムフォロワにガイドローラを軸支して、前記立体カムのカム案内面にガイドさせるように構成した場合は、ガイドローラの転動によりガイドが円滑になされ、可逆的な動作を含めて立体カムの動作がさらに円滑になされる。

また、前記従節側リンクにおけるカムフォロワまたはガイドローラを前記立体カムのカム案内面に押し付ける付勢手段を前記カムフォロワまたは従節側リンクに設置した場合は、立体カム側と従節側との間の確実な接触ガイド機能が発揮されてがたつくことがなく、伝達精度がさらに向上する。さらに、前記支持部材を上下に分割構成とするとともに、これら上下支持部材間を相対回転自在に構成した場合は、立体カム側の回転軸と従節側の揺動軸との間の角度関係を自在に選定することも可能となる。

本発明の立体カム機構の第１実施例の原理を説明する全体斜視図である。 本発明の立体カム機構におけるカム動作を示す正面図である。 本発明の立体カム機構の第２実施例を示す全体斜視図である。 第１従来例のグリッパベルト駆動装置の説明図である。 第２従来例のカム式動力伝達機構の説明図である。

以下本発明に係る立体カム機構を実施するための好適な形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の立体カム機構の第１実施例の原理を説明する全体斜視図、図２は本発明の立体カム機構におけるカム動作を示す正面図、図３は本発明の立体カム機構の第２実施例を示す全体斜視図である。

本発明の立体カム機構の基本的な構成は、図１の第１実施例に示すように、支持部材５に軸支された所定の回転軸１Ａの周りを回転する立体カム１のカム案内面２に、前記支持部材５の他の部分に軸支された従節側リンク４が案内されるように構成された立体カム機構において、前記立体カム１に３次元的なカム案内面２（３）を形成するとともに、このカム案内面２に前記従節側リンク４の一端に所定の角度にて形成したカムフォロワ６（７）をガイドさせるようにして、立体カム１の回転運動を従節側リンク４の他端の揺動運動に変換するように構成したことを特徴とする。

図１に示した実施例では、ロボットアームや指の目標軌跡を実現する立体カム関節を構成するところの、立体カム機構は以下のように構成されている。なお、図１のものは、立体カム１におけるカム案内面２、３の一対とそれらに対応する従節側リンク４における一対のカムフォロワ６、７またはガイドローラ８、９を配設した実施例のものが示されているが、本発明の基本的なものでは、図示はしないが、従節側リンク４にカムフォロワ６（７）を１個形成したもの、あるいは従節側リンク４におけるカムフォロワ６（７）にガイドローラ８（９）を軸支して立体カム１におけるカム案内面２（３）に付勢する手段を効果的に配設して、前記カム案内面およびカムフォロワまたはガイドローラをそれぞれ１個とした構成でもよい。以下、カム案内面２、３およびカムフォロワ６、７またはガイドローラ８、９が各一対配設された実施例を説明する。これらカム案内面およびカムフォロワまたはガイドローラは各３個ずつ以上配設することもあり得る。

鉛直状の支持部材５に所定のカム回転軸１Ａ（図示の例では、ほぼ水平状に配設されている）の周りに立体カム１が回転自在に軸支される。立体カム１には一対の３次元的な独立したカム案内面２、３が形成される。図示の例では、立体カム１が図示の状態から回転を続けていくと、徐々に半径が増大するようなカム案内面２、３とされる。半径の増大のみならず、カムの回転軸方向の高さが変化する構成としてもよい。一般的に、カムフォロワの揺動角度設計に応じて、これらの高さや半径のプロフィールは変化する。それぞれのカム案内面２、３は３次元的に独立して案内面が形成され、従節側リンク４の一端に所定の角度（図示の例ではほぼ直角）にて形成した一対のカムフォロワ６、７にそれぞれ軸支されたガイドローラ８、９がガイドされて走行することにより、前記支持部材５の上部で前記カム回転軸１Ａとほぼ直交状態（支持部材５の形状ならびにカム案内面２、３の形状を選定することにより、直交でなく任意の交差角度での配置も可能）の従節関節回転軸４Ａを軸心として従節側リンク４が揺動する。従節側リンク４の他端部が矢印のようにロボットアームや指の目標軌跡となる。

前記立体カム１における一対の３次元的な独立したカム案内面２、３の生成は、従節側リンク４の他端部の挙動がロボットアームや指の目標軌跡となるように設計される。カム案内面２、３の形状設定により、カムフォロワ６、７間の角度（カム案内面２、３のそれぞれ形状に適合するようにカムフォロワ６、７自体の従節側リンク４に対する角度およびカム案内面２、３のなす角度に適合するようにカムフォロワ６と７とで構成される角度）も適宜設計され、また、立体カム１の規則的な回転に対して従節側リンク４の不規則な揺動運動に変換することも可能である。また、従節側リンク４における一対のガイドローラ８、９を前記立体カム１のカム案内面２、３にそれぞれ押し付ける付勢手段が付される。例えば、一対のカムフォロワ６、７間にスプリングを張設してもよいし、従節側リンク４に対してカムフォロワ６、７のそれぞれがカム案内面２、３側にコイルばね等により付勢されるように構成してもよい。かくして、立体カム１側と従節側４との間の確実な接触ガイド機能が発揮されて伝達精度がさらに向上する
前記支持部材５における従節関節回転軸４Ａは、例えば、図示省略の外部カバーに固定されるが、応用される機器によっては必ずしも固定部でなくてもよい。したがって、立体カム１のカム回転軸１Ａは、図示の水平状態から前記従節関節回転軸４Ａを中心として揺動し得る。つまり、カム回転軸１Ａは、従節関節回転軸４Ａを中心とし支持部材５の上下方向長さを腕として揺動しながら立体カム１を回転させることが可能である。

図２は本発明の立体カム機構におけるカム動作を示す正面図である。実線で示したものが前記図１の状態である。従節側リンク４の一端に所定の角度にて形成した一対のカムフォロワ６、７にそれぞれ軸支されたガイドローラ８、９が、それぞれ立体カム１のカム案内面２、３にガイドされて走行する。立体カム１がカム回転軸１Ａの周りにて回転することにより、各カム案内面２、３のカム回転軸１Ａからの半径が徐々に増大する。前述したように、半径の増大のみならず、カムの回転軸方向の高さが変化する構成としてもよい。カムフォロワの揺動角度設計に応じて、これらの高さや半径のプロフィールは変化する。従節側リンク４は従節関節回転軸４Ａを中心として矢印のように揺動する。点線は立体カム１が１８０度回転した状態のカム案内面２、３と、それらにガイドされたガイドローラ８’、９’および従節側リンク４’の位置を示している。

各カム案内面２、３の始端部および終端部にはそれぞれスットッパ２Ａ、２Ｂおよび３Ａ（図示省略）、３Ｂが設置され、ガイドローラ８、９の立体カム１からの離脱が防止される。本発明では、立体カム１の逆回転による従節側リンク４の上方への揺動も可能なように設計することができる。また、従節側リンク４の揺動により立体カム１を回転させる動作すなわち可逆的な動作も可能なようにカム案内面２、３を設計することも簡単にできる。なお、可逆的動作が可能なカム案内面２、３の形状は、カム案内面２、３をガイドローラ８、９が押し付けることにより発生するトルクが、立体カム１を回転させるために必要なトルクの大きさを上回るようにすることで実現される。

図３は本発明の立体カム機構の第２実施例を示す全体斜視図である。本実施例では、下部がカム回転軸１Ａにて立体カム１を回転自在に軸支し、上部が従節関節回転軸４Ａにて従節側リンク４を揺動自在に軸支する支持部材５を、上下に分割構成とするとともに、これら上下支持部材間を支持部回転軸５Ａにより相対回転自在に構成したことを特徴とする。このように構成したので、立体カム１における各カム案内面２、３の３次元形状を適宜選定することにより、カム回転軸１Ａを、従節関節回転軸４Ａを中心とし支持部材５の上下方向長さを腕として揺動させつつ、しかも、カム回転軸１Ａを前記従節関節回転軸４Ａに対する平面視での交差角度を変化させながら立体カム１を回転させて、前記従節側リンク４を揺動させることが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、支持部材の形状（カム回転軸と従節関節回転軸との交差角度等を決定する捩れ程度、交差角度が直角なら図示の例のように捩れはない。上下分割構成とした場合の、相対回転形態等、例えばフリーで相対回転自在に構成する他、所定角度毎に固定自在として所定の捩れ角度を得るようにしてもよい）、形式、支持部材におけるカム回転軸と従節関節回転軸の軸支形態（ベアリングやメタルを介した軸支形態等）、立体カムの形状、形式、カム案内面の形状（３次元的な独立した適宜の形状が採用されるが、これら一対のカム案内面の幅、間隔、表面処理形態等は適宜選定し得る）、従節側リンクの形状（図示の例は、直線状の棒状体であるが、断面形状の自在な選定とともに、アーム形状としても多様な形状が採用し得る）、形式、従節側リンクにおけるカムフォロワの設置形態、一対のカムフォロワのなす角度、カムフォロワに対するガイドローラの軸支形態（ベアリングやメタルを介した軸支形態等）、従節側リンクにおけるカムフォロワまたはガイドローラのカム案内面への付勢手段の形状、形式（板ばね、コイルばね等）等は適宜選定できる。また、実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

１ 立体カム
１Ａ カム回転軸
２ 第１カム案内面
３ 第２カム案内面
４ 従節側リンク
４Ａ 従節関節回転軸
５ 支持部材
６ 第１カムフォロワ
７ 第２カムフォロワ
８ 第１ガイドローラ
９ 第２ガイドローラ

Claims (4)

1. 支持部材に軸支された所定のカム回転軸の周りを回転する立体カムのカム案内面に、前記支持部材の他の部分に軸支された従節側リンクが案内されるように構成された立体カム機構において、前記立体カムに、少なくとも一対の３次元的なカム案内面を、所定間隔をおいて独立して形成するとともに、これらのカム案内面に対応して前記従節側リンクの一端に所定の角度にて形成した少なくとも一対のカムフォロワをガイドさせるようにし、立体カムの回転によって、カム案内面のカムフォロワがガイドされることになる周方向位置でのカム回転軸からの半径とカム回転軸方向の高さの両方が徐々に変化するように各カム案内面の３次元的な曲面を設定することで、立体カムの回転運動を従節側リンクの他端の揺動運動に変換し、前記従節側リンク側からの揺動運動を立体カム側の回転運動にも変換可能に構成したことを特徴とする立体カム機構。
2. 前記従節側リンクのカムフォロワにガイドローラを軸支して、前記立体カムのカム案内面にガイドさせるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の立体カム機構。
3. 前記従節側リンクにおけるカムフォロワまたはガイドローラを前記立体カムのカム案内面に押し付ける付勢手段を前記カムフォロワまたは従節側リンクに設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の立体カム機構。
4. 前記支持部材を上下に分割構成とするとともに、これら上下支持部材間を相対回転自在に構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の立体カム機構。

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