JP4576247B2 - Joint device and finger unit using the joint device - Google Patents

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Description

本発明は、メカニカルユニバーサルハンド、当該メカニカルユニバーサルハンドに好適なフィンガーユニットに関する。   The present invention relates to a mechanical universal hand and a finger unit suitable for the mechanical universal hand.
生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置(以下、「ハンド」とも記す。)にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。   Industrial grippers (hereinafter also referred to as “hands”) used in production sites often use mechanical grippers that hold objects with an opening / closing mechanism such as pliers. It consists of a mechanism having three links, such as two links or a three-jaw chuck that move relatively to grip the object.
このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。   Such a mechanical gripper does not require advanced control, and since it opens and closes mechanically, a reliable repetitive motion is guaranteed, but since the gripping operation is realized mechanically, it is determined at the production site. It guarantees secure gripping on objects of known shape aligned in position and orientation, but it is difficult to properly grip complex shaped parts with various curved surfaces such as cast parts and press-formed parts. If the position / posture where the object is placed, or the shape and dimensions of the object are slightly different, such as bulk parts, it is no longer possible to use one mechanical gripper.
そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。   Therefore, at the production site, a visual sensor is introduced to measure the position and orientation of parts by complex shape recognition processing to determine the gripping points that can be gripped by the mechanical gripper, and depending on the shape and size of the target object Therefore, it is necessary to introduce a complicated robot system that requires a great cost such as preparing a plurality of mechanical grippers and replacing the grippers each time according to an object.
このような問題を解決するため、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。
特許第3174848号公報 加藤一郎 編著「図解メカニカルハンド」工業調査会出版、1979年、p.127 広瀬茂男「多自由ロボットの干渉駆動」、日本ロボット学会誌、Vol.7,No.2、p.128−135
In order to solve such problems, in order to realize a robot hand having a mechanism like a human hand and a skillful work function like a human hand, a plurality of joints having a plurality of joints imitating a human hand Universal robot hands composed of fingers have been researched and developed.
Japanese Patent No. 3174848 Edited by Ichiro Kato, "Illustrated Mechanical Hand" Industrial Research Association, 1979, p. 127 Shigeo Hirose "Interference Drive of Multi-Freedom Robot", Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 7, no. 2, p. 128-135
上述した人間の手を模したロボットハンドは未だ開発途上であり、限られたハンド形状の中に複雑な関節駆動機構をいかに組み込むかという機構設計上の課題、並びに、多くの関節をいかに制御するかという制御ソフトウェア上の課題は未だ十分に解決されておらず、何れも極めて複雑且つ高価であるため、生産現場での実用に供することのできるユニバーサルロボットハンドは実現されていない。   The robot hand imitating the human hand described above is still under development, and the problem of mechanical design, how to incorporate a complex joint drive mechanism in a limited hand shape, and how to control many joints These control software problems have not yet been sufficiently solved, and all of them are extremely complicated and expensive, so that a universal robot hand that can be put to practical use at a production site has not been realized.
本発明は、上述の問題点に鑑み、ソフトウェアによる制御を全く必要とせずメカニカルグリッパのような機械的動作のみで、把持対象物の位置・姿勢のズレや形状・寸法の異なる対象物を適切に把持できる安価な関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニットを提供する点にある。   In view of the above-described problems, the present invention appropriately controls objects having different positions / postures and shapes / dimensions of a gripping object only by a mechanical operation such as a mechanical gripper without requiring any software control. An inexpensive joint device that can be gripped and a finger unit using the joint device are provided.
上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、把持フレームと、前記把持フレームに軸支された回転軸と、前記回転軸に嵌入された一対のシャフトと、前記一対のシャフト間に各シャフトの端面と対向するように配置されるとともに前記回転軸に対して回転可能に配置されたリンクプレートと、一方のシャフトと前記リンクプレートの間に、転動軸心が前記シャフトの径方向に対して所定の傾斜角度で転動自在に且つ前記シャフトの回転軌道に沿って保持体に保持されたローラ群を配置するとともに、前記リンクプレートに対して他方のシャフトを転動可能に配置し、前記回転軸の一端に前記一対のシャフトを所定の締付力で締付ける締付機構を備えたトルク制限機構と、前記一方のシャフトを回転駆動する駆動伝達機構を備え、前記リンクプレートに径方向に延出形成された延出部の先端に、他の把持フレームの基端部が連結可能に構成されている点にある。 In order to achieve the above-described object, a first characteristic configuration of the joint device according to the present invention includes a gripping frame and a rotary shaft pivotally supported by the gripping frame as described in claim 1 of the claims. A pair of shafts fitted into the rotating shaft, a link plate disposed between the pair of shafts so as to face the end surfaces of the shafts, and rotatably disposed with respect to the rotating shaft , between the shaft the link plates, the roller held in the holding member along the rotation orbit of rollably and the shaft rolling axial is against the radial direction toward the shaft at a predetermined inclination angle with placing the group, the link plates of the other shaft rollably disposed relative to the torque limit one end the pair of shaft of the rotary shaft provided with a tightening mechanism for tightening with a predetermined tightening force And a drive transmission mechanism that rotationally drives one of the shafts, and is configured such that the proximal end of another gripping frame can be connected to the distal end of the extending portion formed to extend in the radial direction on the link plate. There is in point.
上述の特徴構成によれば、駆動機構により回転駆動されるシャフトと、トルク制限機構を介して連結されたリンクプレートとが一体的にシャフトの回転軸芯周りに回転し、前記リンクプレートの先端に連結された他の把持フレームも一体となって回転する。前記他の把持フレームまたはリンクプレートが例えば把持対象物に接当すると、対象物からの反力によってトルク制限機構に反力トルクが作用し、設定値を超えるとリンクプレートとシャフトがスリップし、前記他の把持フレームまたはリンクプレートは対象物に一定の接触力で接触し続ける。この状態で駆動機構による回転方向を反転させると、前記他の把持フレームまたはリンクプレートは対象物から離間する。   According to the above-described characteristic configuration, the shaft that is rotationally driven by the drive mechanism and the link plate that is connected via the torque limiting mechanism rotate integrally around the rotation axis of the shaft, and are connected to the tip of the link plate. Other connected gripping frames also rotate together. When the other gripping frame or link plate comes into contact with the gripping object, for example, the reaction force torque acts on the torque limiting mechanism due to the reaction force from the object, and when the set value is exceeded, the link plate and the shaft slip, Other gripping frames or link plates continue to contact the object with a constant contact force. If the rotation direction by the drive mechanism is reversed in this state, the other gripping frame or link plate is separated from the object.
そして、一方のシャフトを軸方向の荷重を加えた状態で回転させると、各ローラが一方のシャフト及びリンクプレートに接しながら転動し、その際、各ローラは一方のシャフトの回転軌道に対して所定角度だけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体で規制されながらシャフトの回転軌道に沿って移動するため、各ローラと一方のシャフト及びリンクプレートとの間に軸方向の荷重に比例した摩擦力が発生する。その際、各ローラは、転動しながら滑り摩擦を発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による安定した抵抗力が得られる。さらに、リンクプレートに対して他方のシャフトを転動可能に配置しているので、リンクプレートが一対のシャフトで安定的に支持される。従って、締付機構で、軸方向加重を適切に設定することにより、対象物に極めて安定した押圧力を付与できる関節を構築することができるようになるのである。   When one shaft is rotated with an axial load applied, each roller rolls in contact with one shaft and the link plate, and at that time, each roller is rotated with respect to the rotation trajectory of one shaft. Proportional to the axial load between each roller and one of the shafts and the link plate because it moves along the rotation path of the shaft while being restricted by the holding body to roll in a direction inclined by a predetermined angle Generated frictional force. At that time, since each roller generates sliding friction while rolling, a stable resistance force is always obtained by dynamic friction without generating static friction. Furthermore, since the other shaft is arranged to be able to roll with respect to the link plate, the link plate is stably supported by the pair of shafts. Therefore, by appropriately setting the axial load with the tightening mechanism, it is possible to construct a joint that can apply a very stable pressing force to the object.
同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記他方のシャフトと前記リンクプレートの間に、転動軸心が前記シャフトの径方向に対して所定の傾斜角度で転動自在に且つ前記シャフトの回転軌道に沿って保持体に保持されたローラ群を配置して、前記リンクプレートに対して他方のシャフトが転動可能に構成されている点にある。 The second feature structure, as described in the claim 2, in addition to the first characterizing feature described above, between the other shaft and the link plate, the rolling axial is radially above direction of the shaft pair to be disposed a predetermined inclination angle rollably and rollers held by the holding member along the rotation orbit of the shaft, the other shaft is rollably configured for the link plate It is in the point.
同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記他方のシャフトと前記リンクプレートの間にスラストベアリングを配置して、前記リンクプレートに対して他方のシャフトが転動可能に構成されている点にある。   In the third feature configuration, as described in claim 3, in addition to the first feature configuration described above, a thrust bearing is disposed between the other shaft and the link plate to The other shaft is configured to be able to roll.
本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成を備えた関節装置が複数段連結され、基端側の関節装置に組み込まれたトルク制限機構に滑りが発生すると、先端側の関節装置に組み込まれた関節装置のリンクプレートが回動するように、各関節装置の一方のシャフトが前記駆動伝達機構により順次駆動伝達される点にある。   The characteristic configuration of the finger unit according to the present invention is that, as described in the fourth aspect of the present invention, the joint device having any one of the first to third characteristic configurations described above is connected in a plurality of stages, and the joint device on the proximal end side is connected. When slippage occurs in the built-in torque limiting mechanism, one shaft of each joint device is sequentially driven and transmitted by the drive transmission mechanism so that the link plate of the joint device built in the joint device on the distal end side rotates. There is in point.
上述の構成によれば、各リンクプレートの先端に同様の関節装置を連結し、各関節装置のシャフトを駆動伝達機構を介して駆動伝達できるようにフィンガーユニットを構成してあるので、駆動機構による回転駆動力を先端側の関節装置のシャフトまで伝えることができる。従って、基端側の第一の関節装置のリンクプレートに連結された第二の関節装置の把持フレームが対象物に接当して、対象物からの反力によってトルク制限機構が作動してリンクプレートとシャフトがスリップすると、当該第一の関節装置の回転駆動力により第二の関節装置の把持フレームが対象物に一定の接触力で接触し続けながら、その把持フレームに設けられたシャフトが前記駆動連結機構を介して同様に回転し、第二の関節装置のリンクプレートに連結された第三の関節装置の把持フレームが対象物に接当する。対象物からの反力によって第二の関節装置のトルク制限機構が作動してリンクプレートとシャフトがスリップすると、当該第二の関節装置の回転駆動力により第三の関節装置の把持フレームが対象物に一定の接触力で接触する。このような動作が繰り返されることで、対象物に対して複数点で接当支持されるようになるのである。   According to the above configuration, the same joint device is connected to the tip of each link plate, and the finger unit is configured so that the shaft of each joint device can be transmitted through the drive transmission mechanism. The rotational driving force can be transmitted to the shaft of the joint device on the distal end side. Therefore, the grip frame of the second joint device connected to the link plate of the first joint device on the proximal end side comes into contact with the target object, and the torque limiting mechanism is activated by the reaction force from the target object to link. When the plate and the shaft slip, the gripping frame of the second joint device keeps contacting the object with a constant contact force by the rotational driving force of the first joint device, and the shaft provided on the gripping frame The grip frame of the third joint device, which rotates in the same way via the drive connection mechanism and is connected to the link plate of the second joint device, contacts the object. When the torque limiting mechanism of the second joint device is actuated by the reaction force from the object and the link plate and the shaft slip, the gripping frame of the third joint device is moved by the rotational driving force of the second joint device. With a constant contact force. By repeating such an operation, the object is supported by a plurality of points.
同第二の特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記関節装置の把持フレームに、当該関節装置のリンクプレートに連結された他の関節装置の逆方向への回転を所定位置で阻止するストッパ機構を設けてある点にある。   As described in the fifth aspect, the second feature configuration includes, in addition to the first feature configuration described above, another joint device connected to the grip frame of the joint device and a link plate of the joint device. Is provided with a stopper mechanism for preventing rotation in the opposite direction at a predetermined position.
上述の特徴構成によれば、アクチュエータの回転方向を反転させることにより、逆方向に回転するシャフトに連動してリンクプレートが逆方向に回転駆動され、対象物に接当している各把持フレームが対象物から離間する。その後、ストッパ機構により他の関節装置の逆方向への回転が所定位置で阻止されるので、把持動作の後の開放動作では前記所定位置を初期位置とする一定の初期姿勢に確実に復帰させることができるようになるのである。   According to the above-described characteristic configuration, by reversing the rotation direction of the actuator, the link plate is driven to rotate in the reverse direction in conjunction with the shaft rotating in the reverse direction, and each grip frame in contact with the object is Separate from the object. After that, the stopper mechanism prevents the other joint devices from rotating in the reverse direction at a predetermined position, so that in the opening operation after the gripping operation, the predetermined position is surely returned to a certain initial posture. Will be able to.
以上説明した通り、本発明によれば、ソフトウェアによる制御を全く必要とせずメカニカルグリッパのような機械的動作のみで、把持対象物の位置・姿勢のズレや形状・寸法の異なる対象物を適切に把持できる安価な関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニットを提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, it is not necessary to control the software at all, and only the mechanical operation such as the mechanical gripper is used to appropriately detect the object with different position / posture and shape / size. An inexpensive joint device that can be gripped and a finger unit using the joint device can be provided.
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット及びメカニカルユニバーサルハンドの実施の形態を説明する。図1及び図5に示すように、フィンガーユニット2は、基端側に配置される第一関節装置3aと、第一関節装置3aのリンクプレート38a先端側に連結された第二関節装置3bと、第二関節装置3bのリンクプレート38b先端側に連結された第三関節装置3cと、第三関節装置3cのリンクプレート38c先端側に連結された先端把持部4とで構成されている。   Embodiments of a joint device and a finger unit and a mechanical universal hand using the joint device according to the present invention will be described below. As shown in FIGS. 1 and 5, the finger unit 2 includes a first joint device 3a disposed on the proximal end side, and a second joint device 3b coupled to the distal end side of the link plate 38a of the first joint device 3a. The third joint device 3c is connected to the distal end side of the link plate 38b of the second joint device 3b, and the distal end grip portion 4 is connected to the distal end side of the link plate 38c of the third joint device 3c.
前記第一関節装置3(3a)は、図2に示すように、サイドプレート300,301とベースプレート302で構成される把持フレーム30と、前記把持フレーム30にベアリング機構30aを介して回転自在に支持された回転軸32と、前記回転軸32に嵌入された一対のシャフト33,34と、前記シャフト33,34間にトルク制限機構36を介して挟持されたリンクプレート38aと、前記シャフト33,34を回転駆動する駆動機構31と、前記駆動機構31による駆動力を後段の関節装置3b、3cに伝達する駆動伝達機構39を備えて構成されている。   As shown in FIG. 2, the first joint device 3 (3a) is supported by a gripping frame 30 composed of side plates 300 and 301 and a base plate 302, and rotatably supported by the gripping frame 30 via a bearing mechanism 30a. A rotary shaft 32, a pair of shafts 33, 34 fitted into the rotary shaft 32, a link plate 38a sandwiched between the shafts 33, 34 via a torque limiting mechanism 36, and the shafts 33, 34. And a drive transmission mechanism 39 that transmits the driving force of the driving mechanism 31 to the joint devices 3b and 3c in the subsequent stage.
前記駆動機構31は、前記第一関節装置3(3a)の基端側にフレーム連結されたモータブラケット50に装着されたアクチュエータとしてのエアモータ51の出力軸52からの動力で前記シャフト33を回転する機構で、前記出力軸52に嵌入固定された第一傘歯車53と噛合して回転する第二傘歯車31で構成されている。   The drive mechanism 31 rotates the shaft 33 with power from an output shaft 52 of an air motor 51 as an actuator mounted on a motor bracket 50 frame-connected to the base end side of the first joint device 3 (3a). The mechanism comprises a second bevel gear 31 that rotates in mesh with a first bevel gear 53 fitted and fixed to the output shaft 52.
前記第二傘歯車31と前記シャフト33及び前記回転軸32aが一体回転するように取り付けられ、前記回転軸32に固定されたプーリ39a及びタイミングベルト39bによって前記駆動伝達機構39が構成されている。   The drive transmission mechanism 39 is constituted by a pulley 39a and a timing belt 39b that are attached so that the second bevel gear 31, the shaft 33, and the rotating shaft 32a rotate integrally, and are fixed to the rotating shaft 32.
前記トルク制限機構36は、図4(a),(b),(c)に示すように、転動軸心bがシャフト33の径方向に対して所定の傾斜角度αで転動自在に、且つ、前記シャフト33の回転軌道に沿って、保持体36aに保持されたローラ36b群を、前記シャフト33と前記リンクプレート38の対向面間に所定の締付力で挟持た回転摩擦機構で構成されている。尚、これらは回転摩擦機構を構成する最小限の部材であり、実際には前記シャフト33、リンクプレート38及び保持体36aは同軸状態を保つように図示しないハウジング等に組付けられている。 As shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the torque limiting mechanism 36 allows the rolling axis b to roll at a predetermined inclination angle α with respect to the radial direction of the shaft 33 . and, before SL along the rotation orbit of the shaft 33, rotational friction of the roller 36b group held in coercive bearing member 36a, and clamping with a predetermined clamping force between the facing surfaces of the shaft 33 the link plates 38 It consists of a mechanism. These are the minimum members constituting the rotational friction mechanism, and the shaft 33, the link plate 38 and the holding body 36a are actually assembled to a housing or the like (not shown) so as to maintain a coaxial state.
詳述すると、前記シャフト33は環状に形成され、前記リンクプレート38との対向面は平面状に形成されている。各ローラ36bは軸方向に一様に延びる円柱形状をなし前記シャフト33の周方向に等間隔で配列されている。また、各ローラ36bの両端面は前記保持体36aとの摩擦を少なくするために凸球面状に形成されている。前記リンクプレート38も前記シャフト33との対向面が環状の平面状に形成されている。 In detail, the shaft 33 is formed in an annular shape, the opposing surfaces of the link plate 38 is formed into a flat surface. Each roller 36 b has a cylindrical shape extending uniformly in the axial direction, and is arranged at equal intervals in the circumferential direction of the shaft 33. Further, both end surfaces of each roller 36b are formed in a convex spherical shape in order to reduce friction with the holding body 36a. The link plate 38 is also formed with an annular flat surface facing the shaft 33.
前記保持体36aも同様に環状に形成され、その軸方向の厚さはローラ36bの外径よりも小さく形成されている。前記保持体36aには各ローラ36bを保持する多数の孔36cが設けられ、各孔36cには各ローラ36bが転動自在に収容されている。また、各孔36cは、図4(c) に示すように各ローラ36bの転動軸bが前記シャフト33の径方向aに対して所定の角度αだけ傾斜するように形成されている。   The holding body 36a is also formed in an annular shape, and its axial thickness is smaller than the outer diameter of the roller 36b. The holding body 36a is provided with a number of holes 36c for holding the rollers 36b, and the rollers 36b are rotatably accommodated in the holes 36c. Each hole 36c is formed such that the rolling shaft b of each roller 36b is inclined by a predetermined angle α with respect to the radial direction a of the shaft 33, as shown in FIG.
従って、図4(d)に示すように、前記シャフト33を軸方向の荷重を加えた状態で回転させると、各ローラ36bが前記シャフト33及び前記リンクプレート38に接しながら転動し、これに追従して前記保持体36aも回転する。その際、各ローラ36bは、前記シャフト33の回転軌道に対して角度αだけ傾斜した方向に転動しようとするのを前記保持体36aで規制されながら前記シャフト33の回転軌道に沿って移動するため、各ローラ36bとシャフト33及びリンクプレート38との間に軸方向の荷重に比例した摩擦力が発生する。   Therefore, as shown in FIG. 4 (d), when the shaft 33 is rotated with an axial load applied, each roller 36b rolls while contacting the shaft 33 and the link plate 38. Following this, the holding body 36a also rotates. At that time, each roller 36b moves along the rotation path of the shaft 33 while being restricted by the holding body 36a from rolling in a direction inclined by an angle α with respect to the rotation path of the shaft 33. Therefore, a frictional force proportional to the axial load is generated between each roller 36b and the shaft 33 and link plate 38.
その際、各ローラ36bは転動しながら滑り摩擦を発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による安定した抵抗力が得られ、仮に初期の段階で静摩擦が発生したとしてもローラ36bの転動によって瞬時に動摩擦に移行する。このように、上述の回転摩擦装置によれば、図2に示す締付けボルト37による締付け力によって、シャフト33の回転運動に軸方向の加重に比例した任意の抵抗力を付与することができ、しかも締付け力を調整することにより、シャフト33の抵抗力を極めて容易に制御することができる。その際、前記滑り摩擦は各ローラ36bの転動を伴なうので、スティック・スリップの原因となる静摩擦を発生させることがなく、常に安定した抵抗力を得ることができるのである。   At this time, since each roller 36b generates sliding friction while rolling, a stable resistance force is always obtained by dynamic friction without generating static friction, and even if static friction occurs at an initial stage, the roller 36b rotates. It moves to dynamic friction instantly by movement. As described above, according to the above-described rotational friction device, an arbitrary resistance force proportional to the axial load can be applied to the rotational motion of the shaft 33 by the tightening force of the tightening bolt 37 shown in FIG. By adjusting the tightening force, the resistance force of the shaft 33 can be controlled very easily. At that time, since the sliding friction is accompanied by rolling of each roller 36b, a stable resistance force can always be obtained without generating a static friction causing stick-slip.
図1及び図3に示すように、前記第二関節装置3b、第三関節装置3cも上述の第一関節装置と同様に、サイドプレート300,301とベースプレート302で構成される把持フレーム30と、前記把持フレーム30にベアリング機構30aを介して回転自在に支持された回転軸32b,32cと、前記回転軸32b,32cに嵌入された一対のシャフト33,34と、前記シャフト33,34間にトルク制限機構36を介して挟持されたリンクプレート38b,38cと、前記シャフト33,34を回転駆動する駆動機構31とを備えて構成され、前記第二関節装置3bには、前記駆動機構31による駆動力を後段の関節装置3cに伝達する駆動伝達機構39を備えてある。前記第二関節装置3b及び第二関節装置3cの駆動機構31は、基端側の関節装置の駆動連結機構39を介して駆動されるプーリ39cで構成される。   As shown in FIGS. 1 and 3, the second joint device 3 b and the third joint device 3 c are similar to the first joint device described above, and the holding frame 30 including the side plates 300 and 301 and the base plate 302, A rotary shaft 32b, 32c rotatably supported by the grip frame 30 via a bearing mechanism 30a, a pair of shafts 33, 34 fitted into the rotary shafts 32b, 32c, and a torque between the shafts 33, 34. Link plates 38b and 38c sandwiched via a limiting mechanism 36 and a drive mechanism 31 that rotationally drives the shafts 33 and 34 are configured. The second joint device 3b is driven by the drive mechanism 31. A drive transmission mechanism 39 that transmits force to the joint device 3c in the subsequent stage is provided. The second joint device 3b and the drive mechanism 31 of the second joint device 3c are constituted by a pulley 39c that is driven via a drive connection mechanism 39 of the joint device on the proximal end side.
前記リンクプレート38a,38b,38cの先端側は夫々第二関節機構3bのベースプレート302、第三関節機構のベースプレート302、先端把持部4のベースプレート402にボルト固定されている。従って第一関節装置3aがその回転軸32a周りに回転するとリンクプレート38aと一体となって第二関節装置3bが前記回転軸32a回りに回転し、第二関節装置3bがその回転軸32b周りに回転するとリンクプレート38bと一体となって第三関節装置3cが前記回転軸32b回りに回転する。 The distal ends of the link plates 38a, 38b, and 38c are bolted to the base plate 302 of the second joint mechanism 3b, the base plate 302 of the third joint mechanism, and the base plate 402 of the distal end grip portion 4, respectively. Thus the second joint device 3b by the first joint device 3a is a link plate 38a integrally rotates about its rotary shaft 32a is rotated in Ri said rotary shaft 3 2a times, the second joint device 3b is its axis of rotation 32b When rotated around, the third joint device 3c rotates around the rotation shaft 32b together with the link plate 38b.
上述のフィンガーユニット2によれば、各リンクプレート38a,38bの先端に同様の関節装置3b,3cを連結し、各関節装置3a,3b,3cのシャフトを駆動伝達機構39を介して駆動伝達できるように構成してあるので、関節装置3aの駆動機構31に付与された回転駆動力を先端側の関節装置3b,3cのシャフト33,34まで伝えることができる。   According to the above-described finger unit 2, similar joint devices 3 b, 3 c can be connected to the tips of the link plates 38 a, 38 b, and the shafts of the joint devices 3 a, 3 b, 3 c can be transmitted through the drive transmission mechanism 39. Thus, the rotational driving force applied to the drive mechanism 31 of the joint device 3a can be transmitted to the shafts 33 and 34 of the joint devices 3b and 3c on the distal end side.
このような構成を採用したフィンガーユニット2の把持動作について詳述する。フィンガーユニット2を把持対象物に対向させ、エアモータ51を正転方向に駆動すると、各関節装置3a,3b,3cが把持方向に回転駆動される。基端側の第一の関節装置3aのリンクプレート38aに連結された第二の関節装置3bの把持フレーム30が対象物に接当すると、対象物からの反力を受け、その値が所定値以上になるとトルク制限機構36が作動する。つまり、シャフト33,34間に挟持されるリンクプレート38aがシャフト33,34に対してスリップする。このとき、第一の関節装置3aの回転駆動力により第二の関節装置3bの把持フレーム30は対象物に一定の接触力で接触し続けながら、その把持フレーム30に設けられたシャフト33が前記駆動連結機構39を介して同様に回転する。次に、第二の関節装置3bのリンクプレート38bに連結された第三の関節装置3cの把持フレーム30が対象物に接当すると、対象物からの反力によって第二の関節装置のトルク制限機構36が作動してリンクプレート38bとシャフト33,34がスリップする。このとき、第二の関節装置3bの回転駆動力により第三の関節装置3cの把持フレーム30が対象物に一定の接触力で接触する。このような動作が繰り返されることで、対象物に対して複数点で接当支持することができるようになるのである。この動作状態が図6に示されている。   The gripping operation of the finger unit 2 adopting such a configuration will be described in detail. When the finger unit 2 is opposed to the object to be grasped and the air motor 51 is driven in the forward rotation direction, each joint device 3a, 3b, 3c is rotationally driven in the grasping direction. When the grip frame 30 of the second joint device 3b connected to the link plate 38a of the first joint device 3a on the base end side comes into contact with the object, the reaction force from the object is received and the value is a predetermined value. When the above is reached, the torque limiting mechanism 36 operates. That is, the link plate 38 a sandwiched between the shafts 33 and 34 slips with respect to the shafts 33 and 34. At this time, while the grip frame 30 of the second joint device 3b keeps contacting the object with a constant contact force by the rotational driving force of the first joint device 3a, the shaft 33 provided on the grip frame 30 It rotates in the same way via the drive coupling mechanism 39. Next, when the grip frame 30 of the third joint device 3c connected to the link plate 38b of the second joint device 3b comes into contact with the object, the torque of the second joint device is limited by the reaction force from the object. The mechanism 36 operates and the link plate 38b and the shafts 33 and 34 slip. At this time, the grip frame 30 of the third joint device 3c comes into contact with the object with a constant contact force by the rotational driving force of the second joint device 3b. By repeating such an operation, the object can be supported by contact at a plurality of points. This operating state is shown in FIG.
さらに、図5及び図6に示すように、前記関節装置3b、3cの把持フレーム30には、当該関節装置3b、3cのリンクプレート38b、38cに連結された他の関節装置または把持フレームの逆方向への回転を所定位置で阻止するストッパ機構40としての板状体が前記把持フレーム30の上端部から前記リンクプレートの延出方向と同方向に延出配置されており、把持作動の後の開放作動時に常に一定姿勢に戻るように構成されている。   Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the gripping frame 30 of the joint devices 3b and 3c is reverse to other joint devices or gripping frames connected to the link plates 38b and 38c of the joint devices 3b and 3c. A plate-like body serving as a stopper mechanism 40 that prevents rotation in a direction at a predetermined position extends from the upper end portion of the grip frame 30 in the same direction as the extension direction of the link plate. It is configured to always return to a certain posture during the opening operation.
つまり、エアモータ51を正方向に回転させることにより実行される上述の把持動作の後に、前記エアモータ51を逆方向に回転させることにより、逆方向に回転するシャフト33に連動してリンクプレート38(38a,38b,38c)が逆方向に回転駆動され、対象物に接当している各把持フレーム30が当該対象物から離間する。その後、ストッパ機構40により関節装置の逆方向への回転が所定位置で阻止されるので、前記トルク制限機構36としての回転摩擦機構が作動して前記リンクプレートが空回りし、把持動作の後の開放動作で前記所定位置を初期位置とする一定の初期姿勢に確実に復帰させることができるようになるのである。   That is, after the above-described gripping operation performed by rotating the air motor 51 in the forward direction, the link plate 38 (38a) is interlocked with the shaft 33 rotating in the reverse direction by rotating the air motor 51 in the reverse direction. , 38b, 38c) are rotationally driven in the opposite directions, and the respective gripping frames 30 that are in contact with the object are separated from the object. Thereafter, the rotation of the joint device in the reverse direction is prevented by the stopper mechanism 40 at a predetermined position, so that the rotational friction mechanism as the torque limiting mechanism 36 is activated, the link plate is idled, and is released after the gripping operation. Thus, the operation can surely return to a certain initial posture with the predetermined position as the initial position.
尚、ストッパ機構40としての板状体が前記把持フレーム30の上端部から前記リンクプレートの延出方向と同方向に延出配置され、他の関節装置または把持フレームの逆方向への回転を所定位置で阻止するもの以外に、ストッパ機構40としての板状体が前記把持フレーム30の上端部から前記リンクプレートの延出方向と反対方向に延出配置され、他の関節装置の把持フレームに接当することで自身の把持フレームの逆方向への回転を所定位置で阻止するように構成するものであってもよく、その具体的構成は適宜変更することができる。   A plate-like body as the stopper mechanism 40 is arranged to extend from the upper end portion of the grip frame 30 in the same direction as the extension direction of the link plate, and the other joint device or the grip frame is rotated in the reverse direction. A plate-like body serving as a stopper mechanism 40 extends from the upper end of the gripping frame 30 in a direction opposite to the direction in which the link plate extends and is in contact with the gripping frames of other joint devices. It may be configured to prevent rotation of the own grip frame in the reverse direction at a predetermined position, and the specific configuration can be changed as appropriate.
尚、図5によれば、フィンガーユニットが直線状に整列する姿勢を初期姿勢としてそのような初期姿勢に復帰するようにストッパが構成されているが、ストッパ機構40の具体構成はこのようなものに限定されるものではなく、前記トルク制限機構36が所定の姿勢で作動するように前記リンクプレートに対して間接的にまたは直接的に負荷を与える機構で構成することができる。尚、全ての関節装置にストッパ機構40を備える必要は必ずしも無い。   According to FIG. 5, the stopper is configured so that the initial posture is the posture in which the finger units are aligned in a straight line, and the stopper mechanism 40 has such a specific configuration. The present invention is not limited to this, and the torque limiting mechanism 36 may be configured by a mechanism that applies a load to the link plate indirectly or directly so that the torque limiting mechanism 36 operates in a predetermined posture. Note that it is not always necessary to provide the stopper mechanism 40 in all the joint devices.
上述したフィンガーユニット2を複数本備え、対象物に対して把持可能に対向配置し、単一または複数のアクチュエータにより基端側の関節装置の駆動機構を駆動することにより、任意形状の対象物に対応して適切に把持動作が行なえるメカニカルユニバーサルハンドが構成される。例えば、図7に示すように、二本のフィンガーユニット2を互いに対向するように配置して、対象物を挟み且つ握るように把持するメカニカルユニバーサルハンド1が構成できる。この場合、基端側の関節装置に対する駆動方向は互いに逆方向である必要があり、単一のアクチュエータで駆動する場合、その駆動方向を反転させる反転機構が必要となる。また、図8に示すように、対象物に対して三方向から対向させた三本のフィンガーユニット2を基端側で連結することで、二方向よりも確実に把持可能なメカニカルユニバーサルハンド1を構成することも可能となる。この場合にも基端側に配置されるアクチュエータは単一または複数の何れでもよいが、互いに対向する側へ関節が作動するように駆動するように構成する点は同様である。   By providing a plurality of finger units 2 as described above, opposingly arranged so as to be gripped with respect to the object, and driving the drive mechanism of the joint device on the proximal end side by a single or a plurality of actuators, Correspondingly, a mechanical universal hand that can perform an appropriate gripping operation is configured. For example, as shown in FIG. 7, a mechanical universal hand 1 can be configured in which two finger units 2 are arranged so as to face each other and hold an object so as to sandwich and hold the object. In this case, the driving directions with respect to the joint device on the proximal end side need to be opposite to each other. When driving with a single actuator, a reversing mechanism that reverses the driving direction is required. Moreover, as shown in FIG. 8, the mechanical universal hand 1 that can be gripped more reliably than in two directions by connecting three finger units 2 opposed to the object from three directions on the base end side. It can also be configured. In this case as well, the actuator arranged on the base end side may be either a single or a plurality of actuators, but it is the same in that the actuator is driven so that the joints are actuated to the opposite sides.
即ち、上述のメカニカルユニバーサルハンドによれば、対象物を包み込むように把持することが可能となるので、対象物の形状や大きさが多少変わるものであっても、またバラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢が夫々異なるものであっても極めて正確且つ容易に把持することができる。また、把持対象物の硬度に応じて上述の締付けボルト37による締付け力を調整するだけで対応することができる。しかも、その作動時にアクチュエータのオンオフ信号、さらには駆動方向信号に対する制御のみが必要とされるに過ぎず、高価な制御ソフトウェアの開発等が不要で、従来の産業用ロボット制御装置に対する制御回路や制御ソフトウェアがほぼそのまま使用できるという経済性に富んだものとなる。   That is, according to the mechanical universal hand described above, the object can be gripped so as to be wrapped. Therefore, even if the shape and size of the object slightly change, Even if the position and posture of the object are different, the object can be gripped extremely accurately and easily. Further, it is possible to cope with this by simply adjusting the tightening force by the above-described tightening bolt 37 according to the hardness of the object to be grasped. Moreover, only the control for the actuator on / off signal and the driving direction signal is required at the time of operation, and development of expensive control software is unnecessary, and the control circuit and control for the conventional industrial robot control device are unnecessary. The software is very economical because it can be used almost as it is.
尚、上述のフィンガーユニットやメカニカルユニバーサルハンドの構造については基本的な要素のみの説明であり、実際に設計する際には、本発明の作用効果が奏される範囲で種々の変更が許容されるものである。例えば、把持フレームを弾性を有する樹脂カバー体で被覆し、把持対象物を衝撃から保護できるように構成することも可能である。   The structure of the above-described finger unit and mechanical universal hand is only an explanation of the basic elements, and when actually designed, various changes are allowed within the range where the effects of the present invention are exhibited. Is. For example, it is possible to cover the gripping frame with an elastic resin cover so that the gripping object can be protected from impact.
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット及びメカニカルユニバーサルハンドの別の実施の形態を説明する。上述の実施形態では、トルク制限機構として回転摩擦機構を一対のシャフトとリンクプレートの両面に夫々配置するものを説明したが、回転摩擦機構は一方の対向面にのみ配置し、他方の対向面にはスラストベアリングを配置するものであってもよい。また、複数枚のリンクプレートまたは基端側が複数に分岐したリンクプレートの夫々を回転摩擦機構を介して複数枚のシャフトで挟持するものであってもよい。   Hereinafter, another embodiment of the joint device and the finger unit using the joint device and the mechanical universal hand according to the present invention will be described. In the above-described embodiment, the description has been given of the rotational friction mechanism disposed on both surfaces of the pair of shafts and the link plate as the torque limiting mechanism. However, the rotational friction mechanism is disposed only on one facing surface and on the other facing surface. May be provided with a thrust bearing. Further, a plurality of link plates or a plurality of link plates whose base end side branches into a plurality may be sandwiched by a plurality of shafts via a rotational friction mechanism.
上述の実施形態では、前記トルク制限機構36は、転動軸心bがシャフト33の径方向対して所定の傾斜角度αで転動自在に且つ前記シャフト33の回転軌道に沿って保持体36aに保持されたローラ36b群を、前記シャフト33と前記リンクプレート38aの対向面間に所定の締付力で挟持された回転摩擦機構で構成されているものを説明したが、転動軸心bがシャフト33の径方向aとのなす角度は得に限定するものではなく適宜設定されるものであり、その具体的構成は特開平08−074843号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。   In the above-described embodiment, the torque limiting mechanism 36 is configured such that the rolling axis b is rollable at a predetermined inclination angle α with respect to the radial direction of the shaft 33 and is attached to the holding body 36 a along the rotation trajectory of the shaft 33. In the above description, the roller 36b group that has been held is constituted by a rotational friction mechanism that is sandwiched between the opposed surfaces of the shaft 33 and the link plate 38a with a predetermined tightening force. The angle formed with the radial direction a of the shaft 33 is not limited to an appropriate value, and is appropriately set. The specific configuration may be appropriately configured as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-074843. Is possible.
上述の実施形態では、トルク制限機構として回転摩擦機構を用いたものを説明したが、トルク制限機構としてはこれに限るものではなく、公知のトルクリミッタで構成することも可能である。   In the above-described embodiment, the rotational friction mechanism is used as the torque limiting mechanism. However, the torque limiting mechanism is not limited to this, and a known torque limiter may be used.
上述の実施形態では、アクチュエータとしてエアモータを用いたものを説明したが、これに限るものではなく、電磁モータ、油圧モータ、電磁回転ソレノイド、パワーシリンダ等の直動アクチュエータ等、適宜使用することができることはいうまでもない。また駆動機構として傘歯車を用いたものを説明したが、これもそのように限定するものではなく、適宜公知の駆動機構を用いることができる。   In the above-described embodiment, an actuator using an air motor has been described. However, the present invention is not limited to this, and a linear motion actuator such as an electromagnetic motor, a hydraulic motor, an electromagnetic rotary solenoid, and a power cylinder can be used as appropriate. Needless to say. In addition, although a description has been given of using a bevel gear as a drive mechanism, this is not limited to that, and a known drive mechanism can be used as appropriate.
上述の実施形態では、駆動伝達機構をプーリとタイミングベルトで構成したものを説明したが、駆動伝達機構としては、ギアートレイン、コントロールワイヤ、ベルト、チェーン等の無限回転機構を採用することもできる。   In the above-described embodiment, the drive transmission mechanism is configured by a pulley and a timing belt. However, an infinite rotation mechanism such as a gear train, a control wire, a belt, or a chain can be adopted as the drive transmission mechanism.
上述の実施形態では、三個の関節装置で一個のフィンガーユニットを構成するものを説明したが、フィンガーユニットを構成する関節装置の数は特に限定するものではなく、一個の関節装置でフィンガーユニットを構成するものであってもよい。さらには、メカニカルユニバーサルハンドを構成するフィンガーユニットの数も特に限定するものではない。   In the above-described embodiment, the configuration in which one finger unit is configured by three joint devices has been described. However, the number of joint devices configuring the finger unit is not particularly limited, and the finger units are configured by one joint device. It may be configured. Furthermore, the number of finger units constituting the mechanical universal hand is not particularly limited.
上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。   The specific structure of the joint device described in the above-described embodiment is merely an embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby, and the configuration may be changed as appropriate within the scope of the same effects. Is possible.
本発明によるフィンガーユニットの平面構成図Plan view of finger unit according to the present invention 本発明による関節装置の平面構成図Plan view of the joint device according to the present invention 本発明によるフィンガーユニットの要部の平面構成図FIG. 3 is a plan view of the main part of the finger unit according to the present invention. トルク制限機構として回転摩擦機構の説明図で、(a)は分解斜視図、(b)は要部説明図、(c)はローラ群の配置姿勢の説明図、(d)は作用説明図It is explanatory drawing of a rotational friction mechanism as a torque limitation mechanism, (a) is a disassembled perspective view, (b) is a principal part explanatory drawing, (c) is explanatory drawing of the arrangement | positioning attitude | position of a roller group, (d) is action explanatory drawing. (a)は本発明によるフィンガーユニットの平面図、(b)は同正面図(A) is a plan view of the finger unit according to the present invention, (b) is a front view thereof. 本発明によるフィンガーユニットの動作説明図Operational diagram of finger unit according to the present invention 本発明によるメカニカルユニバーサルハンドの動作説明図Operational explanatory diagram of mechanical universal hand according to the present invention 別実施形態を示し、本発明によるメカニカルユニバーサルハンドの動作説明図Operational explanatory drawing of the mechanical universal hand according to the present invention showing another embodiment
1:メカニカルユニバーサルハンド
2:フィンガーユニット
3,3a,3b,3c:関節装置
4:先端把持部
30:把持フレーム
31:駆動機構(第二傘歯車)
32,32a,32b,32c:回転軸
33,34:シャフト
36:トルク制限機構(回転摩擦機構)
36a:保持体
36b:ローラ
36c:孔
38,38a,38b,38c:リンクプレート
39:駆動伝達機構
40:ストッパ機構
1: Mechanical universal hand 2: Finger units 3, 3a, 3b, 3c: Joint device 4: Tip gripping part 30: Grasping frame 31: Drive mechanism (second bevel gear)
32, 32a, 32b, 32c: Rotating shaft 33, 34: Shaft 36: Torque limiting mechanism (rotational friction mechanism)
36a: Holding body 36b: Roller 36c: Holes 38, 38a, 38b, 38c: Link plate 39: Drive transmission mechanism 40: Stopper mechanism

Claims (5)

  1. 把持フレームと、前記把持フレームに軸支された回転軸と、前記回転軸に嵌入された一対のシャフトと、前記一対のシャフト間に各シャフトの端面と対向するように配置されるとともに前記回転軸に対して回転可能に配置されたリンクプレートと、一方のシャフトと前記リンクプレートの間に、転動軸心が前記シャフトの径方向に対して所定の傾斜角度で転動自在に且つ前記シャフトの回転軌道に沿って保持体に保持されたローラ群を配置するとともに、前記リンクプレートに対して他方のシャフトを転動可能に配置し、前記回転軸の一端に前記一対のシャフトを所定の締付力で締付ける締付機構を備えたトルク制限機構と、前記一方のシャフトを回転駆動する駆動伝達機構を備え、前記リンクプレートに径方向に延出形成された延出部の先端に、他の把持フレームの基端部が連結可能に構成されている関節装置。 A gripping frame, a rotating shaft pivotally supported by the gripping frame, a pair of shafts fitted into the rotating shaft, and the rotating shaft disposed between the pair of shafts so as to face the end surfaces of the shafts. and rotatably arranged link plates, between one shaft and the link plate, the rolling axial is against the radial direction toward the shaft rollably and at a predetermined inclination angle the relative A roller group held by a holding body is arranged along the rotation path of the shaft, the other shaft is arranged so as to be able to roll with respect to the link plate, and the pair of shafts is provided at one end of the rotation shaft with a predetermined shaft. a torque limiting mechanism having a mechanism tightening tightening by the tightening force, a drive transmission mechanism for rotationally driving the one of the shaft, extending portion of the above that formed to extend radially to the link plate The joint proximal end portion of the other gripping frame is configured to be coupled device.
  2. 前記他方のシャフトと前記リンクプレートの間に、転動軸心が前記シャフトの径方向に対して所定の傾斜角度で転動自在に且つ前記シャフトの回転軌道に沿って保持体に保持されたローラ群を配置して、前記リンクプレートに対して他方のシャフトが転動可能に構成されている請求項1記載の関節装置。 Between the link plate and the other shaft, the rolling axial is held by the holding member along the rotation orbit of the radius direction pair to rollably and said shaft at a predetermined inclination angle direction of the shaft The joint device according to claim 1, wherein a roller group is disposed so that the other shaft can roll with respect to the link plate.
  3. 前記他方のシャフトと前記リンクプレートの間にスラストベアリングを配置して、前記リンクプレートに対して他方のシャフトが転動可能に構成されている請求項1記載の関節装置。   The joint device according to claim 1, wherein a thrust bearing is disposed between the other shaft and the link plate, and the other shaft is configured to roll with respect to the link plate.
  4. 請求項1から3の何れかに記載の関節装置が複数段連結され、基端側の関節装置に組み込まれたトルク制限機構に滑りが発生すると、先端側の関節装置に組み込まれた関節装置のリンクプレートが回動するように、各関節装置の一方のシャフトが前記駆動伝達機構により順次駆動伝達されるフィンガーユニット。   When the joint device according to any one of claims 1 to 3 is connected in a plurality of stages and slip occurs in the torque limiting mechanism incorporated in the proximal-side joint device, the joint device incorporated in the distal-side joint device A finger unit in which one shaft of each joint device is sequentially driven and transmitted by the drive transmission mechanism so that the link plate rotates.
  5. 前記関節装置の把持フレームに、当該関節装置のリンクプレートに連結された他の関節装置の逆方向への回転を所定位置で阻止するストッパ機構を設けてある請求項4記載のフィンガーユニット。   5. The finger unit according to claim 4, wherein a stopper mechanism is provided on a gripping frame of the joint device to prevent rotation in the reverse direction of another joint device connected to a link plate of the joint device at a predetermined position.
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