JP6482136B2 - 伸縮アーム機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットなどに用いられるアームの伸縮アーム機構及びロボットアームに関する。

工場などにおいて省力化のために多くのロボットが採用されている。これらのロボットは速度、正確さ、能率等を優先して動作させるものが多い。

近年では人の世話をするためにもロボットが用いられてきている。このような分野では、ロボットが人の傍で活動するので人に危険を与えないなど、別の観点からの考慮も必要になってくる。

例えばロボットアームでは、回転関節の代わりにアームが伸縮し、伸ばすときには直線的に伸びるが、縮めるときには比較的スペースを取らない直動関節を採用した直動伸縮アーム機構が考えられ、実用化されている。

この直動伸縮アーム機構としては、例えば下記特許文献１に記載されているように、２つの構造体群から成り、これらが駆動機構により重ねあわされ延伸したときには硬直したアーム部を構成するが、駆動機構が逆回転して分離されたときには、曲げられてアーム支持体に収納される構造体が知られている。

しかし、上記直動伸縮アーム機構は、重ねられる２つの構造体が途中で離れる可能性もあり、十分な安定した剛体を形成するものではなかった。

国際公開ＷＯ２０１１−１５２２６５号公報

目的は、確実かつ円滑に伸張及び短縮することが可能な伸縮アーム機構及びロボットアームを提供することにある。

本実施形態に係る伸縮アーム機構は、先端にハンド部が接続されるアーム部と、前記アーム部を端部において伸長短縮可能に支持するアーム支持体とを有し、前記アーム部は前記アーム部の軸方向に直交する方向に回動可能に連結される複数の第１構造体と、前記第１構造体と同方向に回動可能に連結される複数の第２構造体とを有し、前記第１、第２構造体は直線的に配列され互いに重なり合うことにより回動制限され直線状に硬直し、前記第１、第２構造体は互いに分離することにより回動可能な状態に回復し、前記第１構造体には前記第２構造体側に向かって突出する突起部が設けられ、前記第２構造体の前端には前記突起部に係合する第１係合部が設けられ、前記第２構造体の後端には前記突起部に係合する第２係合部が設けられ、前記第２構造体の直線状態への回動に伴って前記突起部は前後から前記第１、第２係合部により押えられ、前記第２係合部の後端面と前記突起部の前端面とが互いに当接し、前記第２係合部の後端面と前記突起部の前端面とは前記アーム部の軸方向に対して傾斜し、前記突起部にはピンホールが設けられ、前記第１係合部には前記ピンホールに挿入される、前方に突出したピンが設けられ、前記ピンホールと前記ピンは前記アーム部の軸方向に対して平行であることを特徴とする。
前記突起部は前記第１構造体の前後中央に設けられることを特徴とする。

第１の実施形態の伸縮アーム機構の短縮時の構造を示す斜視図である。 第１の実施形態の伸縮アーム機構の短縮時の構造を示す側断面図である。 第１の実施形態の伸縮アーム機構の伸張時の斜視図である。 第１の実施形態の伸縮アーム機構の下部構造体群の構造を示す側面図である。 第１の実施形態における下部構造体の構造を示す側面図である。 第１の実施形態における下部構造体の斜視図である。 第１の実施形態における下部構造体の他の位置から見た斜視図である。 第１の実施形態における下部構造体の回転軸の他の例を示す図である。 第１の実施形態における下部構造体の軸受部の他の例を示す図である。 第１の実施形態における上部構造体群の下方から見た斜視図である。 第１の実施形態における上部構造体の構造を示す側面図である。 第１の実施形態において上部構造体に設けられるロック部の構造を示す側面図である。 第１の実施形態における上部構造体の下方から見た斜視図である。 第１の実施形態における上部構造体を下方の他の位置から見た斜視図である。 第１の実施形態における上部構造体の軸受部の他の例を示す図である。 第１の実施形態における上部構造体のロック部に下部構造体がかみ合う動作を説明するための図である。 第１の実施形態における上部構造体のロック部に下部構造体がかみ合う動作を説明するための図である。 第２の実施形態における上部構造体の構造を示す側面図である。 第２の実施形態における上部構造体の構造を示す正面図である。 第２の実施形態における下部構造体の構造を示す側面図である。 第２の実施形態において上部構造体のロック部に下部構造体がかみ合う状態を説明するための図である。 第２の実施形態において上部構造体に下部構造体が連結された状態を示す側面図である。 図１２Ａは第１実施形態における上部構造体の他のロック構造例を示す後方斜視図である。 図１２Ｂは図１２Ａの上部構造体の前方斜視図である。 図１３Ａは図１２Ａの上部構造体に対応する下部構造体の前方斜視図である。 図１３Ｂは図１３Ａの下部構造体の後方斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の伸縮アーム機構の短縮時の構造を示す斜視図を図１に、側断面図を図２に示す。ロボットアーム１０は大きくは、アーム支持体１とアーム部２とハンド部３とを有する。

アーム部２は、屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の上部構造体（第１構造体）２２からなる上部構造体群（第１構造体群）２０と、底板側において屈曲可能に連結された断面コ字等の溝形状を有する複数の下部構造体（第２構造体）２３からなる下部構造体群（第２構造体群）２１とを主要構造物として備える。複数の上部構造体２２のうち先端の上部構造体２２は複数の下部構造体２３のうち先端の下部構造体２３と接続される。上部構造体群２０と下部構造体群２１との接合状態が保持されることによりそれぞれの屈曲が拘束されて所定の剛性を備えた柱状体としてのアーム部２が構成される。上部構造体群２０と下部構造体群２１との分離により柱状体が解除され、上部構造体群２０と下部構造体群２１それぞれが屈曲状態に回復される。上部構造体群２０と下部構造体群２１との接合状態を保持するためにロック構造が設けられる。ロック構造は、上部構造体２２に設けられたロック部２２ｂ１，２２ｂ２の貫通孔（ロックピンホール）２９と、下部構造体２３に設けられたロック部受部２７ｂ１，２７ｂ２の突起（ロックピン）２６ｂ１，２６ｂ２とからなる。ロックピンホール２９にロックピン２６ｂ１，２６ｂ２が差し込まれることにより上部構造体群２０と下部構造体群２１との接合状態が保持され、ロックピンホール２９からロックピン２６ｂ１，２６ｂ２が抜かれることにより上部構造体群２０と下部構造体群２１との屈曲可能な状態に復帰される。
（アーム支持体）
アーム支持体１は図示しない固定台に取り付けられる第１回転関節部Ｊ１を中心に形成される中空構造を有し、アーム部２及びハンド部３を支持している。また、固定台を使用せずＧを接地面として床などに固定するアーム支持体１も考えられる。

アーム支持体１は、図示しない台に取り付けられる第１支持部１１ａと、第２支持部１１ｂと、第３支持部１１ｃ、第１回転関節部Ｊ１（回転関節手段）及び第２回転関節部Ｊ２とを有する。

第１支持部１１ａ及び第２支持部１１ｂは、図１に示すようにそれぞれ中空構造となっている。第２支持部１１ｂの一端は第１回転関節部Ｊ１に固定されて配設される。

第３支持部１１ｃも中空構造を有し、第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通している。後述するアーム部２の構成要素の一部は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂと第３支持部との内部に収納することができるように構成される。

第１回転関節部Ｊ１は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとの間に配設される。第１回転関節部Ｊ１はアーム支持体１の上部中心付近に配設され、第２支持部１１ｂを支持して回転関節として機能する。例えば第１回転関節部Ｊ１は、アーム支持体１の中心軸、すなわち第１支持部１１ａ及び第２支持部１１ｂの中心軸を中心とする回転軸を有する回転関節として構成される。第１回転関節部Ｊ１が回転すると第２支持部１１ｂ、第３支持部１１ｃ、アーム部２及びハンド部３が上記回転軸を中心として水平方向に回転する。

第２回転関節部Ｊ２は、第２支持部１１ｂのアーム部２側の端部に位置しており、アーム支持体１の軸に対して直交する回転軸を有する回転関節として構成されている。第２回転関節部Ｊ２が回転すると、第３支持体１１ｃ、アーム部２及びハンド部３がアーム支持体１に対して第２回転関節部Ｊ２の回転軸を中心に垂直方向に回動する。

第２回転関節部Ｊ２は、アーム支持体１とアーム部２との間にあるものを強固に挟んでしまわない程度の角度とアーム支持体１の中心軸からの距離を持たせるように構成されている。

この実施形態では、アーム支持体１が、接地面Ｇから鉛直方向に伸びているが、本発明は鉛直方向に限られず接地面Ｇから所定の角度を有するものであればよい。
（ハンド部）
ハンド部３は、図１に示すようにアーム部２の先に配設されている。ハンド部３は、第４回転関節部Ｊ４、第５回転関節部Ｊ５、第６回転関節部Ｊ６、第７回転関節部Ｊ７と、第１指１６ａ及び第２指１６ｂを有している。この第１指１６ａ及び第２指１６ｂは２指ハンド１６を構成する。第４回転関節部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（アーム軸ともいう）を中心とする回転軸を有する回転関節である。第４回転関節部Ｊ４が回転すると、第４回転関節部Ｊ４から先端にかけてハンド部３が上記回転軸を中心に回動する。

第５回転関節部Ｊ５は、アーム軸に対して直交する回転軸を有する回転関節である。第５回転関節が回転すると、第５回転関節部Ｊ５から先端に掛けての２指ハンド１６が上記回転軸を中心に回動する。

第６回転関節部Ｊ６は、アーム軸と第５回転関節部Ｊ５の両者に対して直交する回転軸を有する回転関節である。第６回転関節部Ｊ６が回転すると２指ハンド１６が上記回転軸を中心に回動する。

第７回転関節部Ｊ７は、２指ハンド１６の第１指１６ａと第２指１６を回動する。即ち、第７回転関節部Ｊ７により第１指１６ａと第２指１６ｂの先端部が互いに近づくように回動することで２指ハンド１６が閉じ、２指ハンド１６は何らかの物を把持する動作となる。

一方、第１指１６ａと第２指１６ｂの先端部が互いに遠ざかるように動作することで、２指ハンド１６が開き２指ハンド１６が把持したい物を離す動作となる。また、コップの内面など筒状の物に２指ハンド１６を挿入し、広げることにより物を保持することも可能である。

なお、本実施形態ではハンド部３として２指ハンド１６を用いるが、本発明はこれに限定されず、３以上の指を有するハンド部であってもよい。

また、本発明は指部を有する構成にも限定されず、アーム部を用いて所望の位置、姿勢に配置したいあらゆる種類の構造物をハンド部３に代えてアーム部の先端に接続することも可能である。例えば撮像機能を有する機器をハンド部３の代わりに接続することが可能である。

本発明でいう、伸縮アーム機構は、このハンド部の元の部分であり、ハンドが接続されていなくてもよい。
（アーム部）
アーム部２は、直動伸縮アーム関節部Ｊ３を有しており、アーム部２の先端に上述のハンド部３が設けられる。アーム支持体１とアーム部２とハンド部３により２指ハンド１６を望みの姿勢、位置にすることが可能である。図１に示す直動伸縮アーム関節が縮んだ状態から伸張させることにより、ハンド部３をより遠くに伸ばして物を掴んだり離したりすることができ、またこの関節を収縮させることにより近くの物を把持したり離したりすることができる。

図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａでロボットアームを切断した伸縮アーム機構の部分的な断面図である。

アーム部２の主な構成要素は、直動伸縮アーム関節部Ｊ３を構成する上部構造体群２０及び下部構造体群２１と、この直動伸縮アーム関節部Ｊ３を駆動する駆動機構２４である。

直動伸縮アーム関節部Ｊ３は、図１に示すようにロボットアーム１０の鉛直方向に伸びたアーム支持体１内部に格納された状態から、第３支持部１１ｃを経由して伸縮するアーム部２を構成することができ、このとき上部構造体群２０の重力方向下方に下部構造体群２１が位置するように構成されている。

上部構造体群２０と下部構造体群２１の重なり合わせにより両構造体は硬直されアーム部２を形成する。アーム部２は、第２回転関節部Ｊ２によって、第２回転関節部Ｊ２を中心に回動する。

図１及び図6に示すように、上部構造体群２０を構成する各上部構造体２２は内面に凹凸構造２２ａを有する。この凹凸機構（リニアギア（ラック））２２ａは連結されている上部構造体２２が直線状になった時に連続し、図２に示すようにこの連続した凹凸構造２２ａに歯車（ピニオンギア）２４ａがかみ合い、この歯車を駆動するアクチュエータにより上部構造体２２は移動する。この凹凸構造２２ａの両側に図７Ｄにおいてみることができる、ロック部２２ｂ１，２２ｂ２が設けられている。上部構造体２２と下部構造体２３がかみ合わされるとき、後で詳しく述べるようにこのロック部２２ｂ１，２２ｂ２が重要な機能を果たす。

上部構造体群２０は、垂直部分では上下に、水平部分では左右方向に移動しこれに連結された下部構造体群も同じ方向に移動する。この動作により矢印ＡＲ１に示すようにアーム部２の伸縮が行われる。図３にアーム部２が伸張した状態を示す。歯車２４ａは上部構造体２２が直線状になる位置の近くに設けられる。
（共通ブロック体）
上部構造体群２０と、下部構造体群２１との先端部分には図２及び図６に示すように共通ブロック体２６が設けられており、共通ブロック体２６に隣接する上部構造体２２はこの共通ブロック体２６に連結されており、共通ブロック体２６に隣接する下部構造体２３も、この共通ブロック体２６に連結されている。共通ブロック体２６は、１つの上部構造体２２と、１つの下部構造体２３とが一体的になった形状を有している。アーム部が延ばされるときには、この共通ブロック体２６が始端となって、上部構造体２２と下部構造体が連結され、１つの剛体を形成することになる。

なお、本実施形態では共通ブロック体２６が一体となった形状となっている。しかし本発明はこれに限定されず、上部構造体２０と下部構造体２１との先端部分が直動伸縮アーム関節部Ｊ３の伸縮時に意図せずに離れてしまうことがなければよい。

したがって上述の構成に限られず、例えば１つの上部構造体２２と１つの下部構造体２３とが接着剤や溶接、ネジによる固定のような手段によって固着されてなるものを共通ブロック体２６として用いてもよい。
（下部構造体群（第２構造体群））
下部構造体群２１の側面図を図４に示す。下部構造体群２１は、複数個の下部構造体（第２構造体）２３から成り、すべての下部構造体２３は一端の下部構造体２３から他端の下部構造体まで一連となってつながっている。下部構造体２３同士は、回転軸Ｘを介してこれと直交する方向に連結されている。この回転軸に平行な方向に沿った下部構造体の幅はいずれも等しい。

隣接して設けられる下部構造体２３の構造を図５Ａ〜図５Ｅに示す。図５Ａは下部構造体２３の側面図であり、図５Ｂは図５Ａの矢印ＡＲ２方向から下部構造体２３を見た斜視図であり、図５Ｃは図５Ａの矢印ＡＲ３方向から下部構造体２３を見た斜視図である。図５Ｄ及び図５Ｅは、隣接する下部構造体の変形例であり、図５Ｂ、図５Ｃに対応する一部斜視図である。

下部構造体２３は上面解放の中空ブロック構造で、移動方向と垂直に断面Ｕ字状の構造を有しており、移動方向に対して底側面の一方には隣接する下部構造体２３の貫通孔に回動可能に軸支される回転軸２５ａ、他方には他方の隣接する下部構造体２３の回転軸２５ａを両側から受ける軸受部２５ｂ１，２５ｂ２が設けられている。軸受部２５ｂ１，２５ｂ２と回転軸２５ａには貫通孔が設けられており、この共通する貫通孔にピンを通すことにより、下部構造体２３が回転可能に連結される。なお、上記貫通孔はなくても軸受部２５ｂ１，２５ｂ２と回転軸２５ａが相対的に回転可能になっていればよい。

即ち回転軸２５ａと軸受部２５ｂ１，２５ｂ２が、隣同士の下部構造体２３の境界で同一の回転軸Ｘを形成し、これにより下部構造体が連結され、回転軸Ｘを中心に下部構造体２３は回転可能になる。

軸受部２５ｂ１，２５ｂ２の上方には、上部構造体２２の孔に挿入される突起２６ｂ１，２６ｂ２を有する。また、回転軸２５ａの上方の両側には、ロック部２２ｂ１，２２ｂ２を受けるロック部受部２７ｂ１，２７ｂ２を有する。

ところで、図５Ｂ及び図５Ｃの構造では、回転軸が１つ、軸受部が２つにより連結されていた。しかし、回転軸が２つに分かれ、これに応じて軸受部が３つになっていてもよい。即ち図５Ｄ及び図５Ｅに示すように、一方の下部構造体に回転軸２５ｃ１，２５ｃ２を有しこれに応じて隣接する下部構造体に３つの軸受部２５ｄ１，２５ｄ２，２５ｄ３を有する。同様に、回転軸及びこれに対応する軸受部が更に多くてもよい。

上述のように各下部構造体の底面部は連結されているので、下部構造体群２１は下方に湾曲可能である反面、各下部構造体の側面は隣接下部構造体同士でぶつかるので、上方に曲げようとしても曲げられず底面が直平面になる程度である。

なお、下部構造体が上記のように中空ブロック構造（枠体）になっていると、中央部分の材料が除かれるので、軽量化を図ることができる利点がある。
（上部構造体群（第１構造体群））
上部構造体群２０と共通ブロック体２６を下から見上げた斜視図を図６に示す。このように上部構造体群２０の一端は共通ブロック体２６に固定されている。連結されている上部構造体（第１構造体）２２は中央付近に所定幅の凹凸構造２２ａを有する。

上部構造体群２０は複数個の上部構造体２２から成り、すべての上部構造体２２は一端の上部構造体から他端の上部構造体まで一連に連結している。上部構造体同士は、回転軸中心Ｙを介してこの回転軸中心Ｙに直交する方向に連結される。回転軸中心Ｙに平行な方向に沿った上部構造体２２の大きさ、即ち上部構造体２２の幅はいずれも等しい。

各々の上部構造体２２の構造を、図７Ａ〜図７Ｄにより説明する。図７Ａは上部構造体２２の側面図であり、図７Ｂはロック部の構造を示す図である。また、図７Ｃは、図７Ａの矢印ＡＲ５方向から見た上部構造体２２の斜視図であり、図７Ｄは、図７Ａの矢印ＡＲ６方向から見た上部構造体２２の斜視図である。

上部構造体２２は、平板状の構造をしており、その移動方向の中央付近に所定幅の凹凸構造２２ａを有し、その両側に一対のロック部２２ｂ１，２２ｂ２を備える。上部構造体２２も回転軸２８ａと、この回転軸２８ａを両側で受ける軸受部２８ｂ１，２８ｂ２を有する。勿論、両側でなく片側のみに軸受部を有する構造としてもよい。

軸受部２８ｂ１，２８ｂ２と回転軸２８ａには貫通孔が設けられており、この共通する貫通孔にピンを通すことにより、上部構造体２２が回転可能に連結される。

即ち回転軸２８ａと軸受部２８ｂ１，２８ｂ２が、隣同士の下部構造体２２の境界で同一の回転軸中心Ｙを形成し、これにより上部構造体が連結され、回転軸中心Ｙを中心に上部構造体２２は回転可能になる。回転軸２８ａ及び軸受部２８ｂ１，２８ｂ２は共通の回転軸中心Ｙで連結されている。なお貫通孔はなくても、上部構造体２２は回転可能であればよい。

また、図７Ｅに示すように、軸受部を３つ、即ち２８ｄ１，２８ｄ２，２８ｄ３を設け、対応する回転軸を２つとしてもよい。

隣接する上部構造体２２はその境界において回転軸を共通に有しこの回転軸中心Ｙを中心に回転する。

各上部構造体２２は板状体であり、隣の上部構造体２２と連結されているので、上部構造体群２０は下方に湾曲可能である反面、上方に曲げようとしても曲げられず底面が直平面になる程度が限度である。上部構造体２２の連結部を、上方に曲げられない構造になるような構造にしてある。

なお、上部構造体２２の凹凸構造２２ａの両側に設けられる一対のロック部２２ｂ１，２２ｂ２は、図７Ｂに示す側面図から理解されるように、台形状をしており、上部構造体２２の移動方向のほぼ中央で、凹凸構造２２ａの両側に設けられている。このように、一対のロック部２２ｂ１，２２ｂ２は上部構造体の伸張短縮方向に直角な方向に対して左右対称である。本発明において、このように左右対称である必要は必ずしもない。

一対のロック部２２ｂ１，２２ｂ２の台形の一面（伸長時移動方向に対して後面）は垂直面２９ａであり、他面（伸長時移動方向に対して前面）は斜面２９ｂになっている。そしてそのほぼ中央に、貫通孔２９が設けられている。上部構造体群２０と下部構造体群２１の一連の構造体がかみ合わされるときには、一対のロック部２２ｂ１，２２ｂ２の一対の斜面２９ｂは、下部構造体２３の一対のロック部受部２７ｂ１，２７ｂ２が当接され、貫通孔２９には左方（矢印ＡＲ７）から下部構造体２３の突起２６ｂ１，２６ｂ２が嵌合（挿入）される。

この機構により、アーム部が伸張されるとき上部構造体２２と下部構造体２３がかみ合い、上部構造体群２０と下部構造体群２１がロックされ剛体となる。

なお、ロック部の貫通孔２９は、突起２６ｂ１，２６ｂ２が挿入されればよいので、必ずしも斜面２９ｂ迄通った貫通孔である必要はなく、左方（伸長時移動方向に対して後面）が空いた凹部であってもよい。

上記突起２６ｂ１，２６ｂ２は互い違いに設けられていてもよく、一方だけ設けられていてもよい。

このように上部構造体に設けられるロック機構には、下部構造体の上部角付近に設けられた嵌合部（この実施形態では突起）が嵌合してロックされる。

ところで、このように上部構造体に設けられるロック機構に嵌合する嵌合部は、必ずしも下部構造体の上部角付近に設ける必要はない。
（駆動機構）
次に、アーム部を伸張短縮するときの駆動機構、即ち歯車２４ａとこれを回転させるときの動作について説明する。歯車２４ａは、上部構造体２２の下面に固設されている凹凸構造２２ａとかみ合わせられる。

図２に示すように、歯車２４ａはベルトＢＬにより駆動手段であるモータＭ１に連結されている。このモータＭ１の正逆回転により、歯車２４ａは回転し上部構造体２２の凹凸構造２２ａとのかみ合いによって、上部構造体群２０はその水平部分では矢印ＡＲ１方向に移動する。

まず、アーム部２が、伸張するときの動作を説明する。モータＭ１が歯車２４ａを時計回り方向に正回転させるとき、隣り合う上部構造体２２同士が水平方向に伸びていく。上部構造体群２０と下部構造体群２１は、右端を共通ブロック体２６で固定されている。そして、上部構造体群２０の背面（上面）は上ローラＲ１，Ｒ２により支えられており、下部構造体群２１の背面（下面）は下ローラＲ４により支えられている。上ローラＲ１，Ｒ２は下方向に、下ローラＲ４は上方向に押圧力を作用させても良い。さらに、側面に側面ローラを設置し、横から支えても良い。ここでは上ローラを２個、下ローラを１個示しているが、勿論これ以上又はこれ以下の上ローラ、下ローラが設けられていてもよい。設ける側面ローラの個数に限定は無い。

両方の構造体群は上ローラＲ１，Ｒ２及び下ローラＲ４に挟まれて、共通ブロック体２６により固定されている端から上部構造体２２と下部構造体２３はかみ合わせられていく。なお、上部構造体２２と下部構造体２３は、その長さの半分だけ移動方向にずれてかみ合わせられる。

このとき、上部構造体２２のロック部２２ｂ１，２２ｂ２に下部構造体２３の突起２６ｂ１，２６ｂ２が嵌合される。この機構の動作を、この部分の模式図を示す図８Ａ、図８Ｂにより説明する。ロック部２２ｂ２と突起２６ｂ２の関係は、ロック部２２ｂ１と突起２６ｂ１の関係と同じなので、ここでは、代表してロック部２２ｂ１と突起２６ｂ１の関係について述べる。

図８Ａは、隣接する下部構造体２３１，２３２が、上部構造体２２１のロック部２２ｂ１に接近する状態を示す。また図８Ｂは、下部構造体２３１が上部構造体２２１に接触した状態を表す。

図８Ａの状態では、下部構造体２３１がまだ上部構造体２２１の下面に当接していない。しかし、上部構造体群２０及び下部構造体群２１が右方向に移動していくにつれて、図８Ｂに示すように下部構造体２３１が徐々に上方に上がり、下部構造体２３１の上面が上部構造体２２１に当接する。次の下部構造体２３２も徐々に上方に上がり、下部構造体２３１の上面が上部構造体２２１の下面に当接する。そのとき、上部構造体のロック部の貫通孔２９に下部構造体の突起２６ｂ１又は２６ｂ２が挿入されロックされる。

これは見方によれば、下部構造体２３の上端同志を両側から上部構造体２２のロック部により固定していることになる。

次に、アーム部２が、縮む（短縮する）ときの動作を説明する。モータＭ１が歯車２４ａを反時計回り方向に逆回転させるとき、隣り合う上部構造体２２同士が水平方向において縮んで鉛直方向に垂れ下る状態となる。上部構造体群２０は下部構造体群２１と右端を共通ブロック体２６で固定されているので、下部構造体群の下部構造体も上部構造体群の上部構造体とのかみ合い状態から離脱状態になっていく。このとき、下部構造体から上部構造体の離脱を確実、容易にするために、上部構造体群２０と下部構造体群２１を離すあたりにガイド部２４ｂが移動方向に垂直方向に設けられている。

ガイド部２４ｂは断面が三角形状であり、図２に示すように厚さが薄い部分は右側に、厚い部分は左側になるように設けられている。これにより、下部構造体群は下側に湾曲させられ、各下部構造体の下側への回動が円滑に行われる。即ち上部構造体の貫通孔２９に挿入されている突起２６ｂ１，２６ｂ２が円滑に離される。

この解除動作は、図８Ａ、図８Ｂに示した嵌合動作と丁度逆になる。即ち、図８Ｂに示すようにまず下部構造体２３２が上部構造体２２１から離れ、次に図８Ａに示すように下部構造体２３１が上部構造体２２１から離れる。このようにして、上部構造体２２１のロック部２２ｂ１にロックされていた下部構造体２３２，２３１がロック解除される。
なお、ガイド部２４ｂは、三角形状に限定しておらず、ベアリングなどの回転体や、円形などでも良い。

以上述べたように、上部構造体２２と下部構造体２３はその移動方向において同じ長さを有し、その１／２の長さだけずらされ、両構造体群はハンド部方の端部で固定されてかみ合わされる。かみ合わせの時のロックは上部構造体の略中央で移動方向に対して直角方向に対称に設けられた一対のロック部の貫通孔において、下部構造体の同じ位置で移動方向に突出して設けられた一対の突起を受けることによりなされる。

一方、下部構造体の上部の他端にはやはり移動方向に対して直角方向に斜面を有するロック部受部が設けられており、このロック部受部が、下部構造体が上方に回動するときロック部前方に設けられている斜面に当接され、ロック部におけるロックを確保保持することになる。この機構により上部構造体群と下部構造体群がかみ合わせられるとき剛直状態になるのである。

また、上部構造体群と下部構造体群とが離されるときには、上部構造体の凹凸構造にかみ合わされている歯車２４ａが、図２上反時計方向に回転駆動される。そして、下部構造体群が下方に湾曲され、即ち各下部構造体が下部にある中心軸を中心に回転することにより下部構造体のロック部受部が、ロック部進行方向前面に設けられている斜面から解放され、次に下部構造体の上方に有する突起がロック部から離脱状態になる。

このようにして、伸張時に一体として剛直状態にされた上部構造体群と下部構造体群は、剛直状態から解除されることになる。

この実施形態においてロック部は、その有する貫通孔に対して後方から突起が挿入されロックされるので、確実にロックがなされる利点がある。

この機構により、アーム部が伸張されるとき上部構造体２２と下部構造体２３がかみ合い、上部構造体群２０と下部構造体群２１がロックされ剛体となる。

なお、ロック部の貫通孔２９は、突起２６ｂ１，２６ｂ２が挿入されればよいので、必ずしも斜面２８ｂ迄通った貫通孔である必要はなく、左方が空いた凹部であってもよい。

なお、ロック部に有する貫通孔は必ずしも貫通孔である必要はなく、上記突起を受ける、突起の長さ以上の凹部であってもよい。

また、図８Ｂに示したように上記実施形態において、隣接する下部構造体同士がぶつかる位置に対応して、一方に一対の半円球状の凹部３１を設け他方の対応する位置に半円球状の弾力性ある材料例えばゴムで構成される一対の弾力性突起３２を設けることができる。アームが伸張するとき、下部構造体群が伸張して、上部構造体群とかみ合わせられるときに下部構造体同士が回動してぶつかるが、上記凹部３１に上記弾力性突起３２が嵌合する。勿論、半円上でなくとも、凹部と弾力性突起は丁度半円状でなく、対応する凹部とこれに対応する弾力性ある突起が設けられていればよい。

図８Ｂでは、伸張時前方にある下部構造体の両側ほぼ中央付近に凹部３１を設け、後方に連結される下部構造体の両側ほぼ中央付近に対応するゴム突起３２を設けた場合について示した。伸張時前方にある下部構造体の両側のほぼ中央付近にゴム突起３２を設け、後方に連結される下部構造体の両側ほぼ中央付近に対応する凹部３１を設けてもよい。

このような構造を採れば、弾力性突起の弾力性により下部構造体同士が接触する際に生ずる衝撃及び発生音を抑制することができる効果がある。

更に、下部構造体同士だけでなく、上部構造体同士、上部構造体と下部構造体同士の接触部分においても同様に、弾性突起と凹部を設けることができる。これにより、接触時の衝撃及び発生音を抑止することができる効果がある。
（変形例）
上記説明では、上部構造体２２のロック部２２ｂ１，２２ｂ２に貫通孔２９を設け、この貫通孔２９に下部構造体２３の突起２６ｂ１，２６ｂ２が挿入されることにより、上部構造体２２に下部構造体２３が固定される。しかし、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、上部構造体２２のロック部２２ｂ１，２２ｂ２に突起（ロックピン）２６ｂ１，２６ｂ２を設け、図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、下部構造体２３のロック部受部２７ｂ１，２７ｂ２にロックピンホール２９ｂ１，２９ｂ２を設けるようにしてもよい。上部構造体群２０と下部構造体群２１とが接合するとき、上部構造体２２のロック部２２ｂ１，２２ｂ２は、隣り合う下部構造体２３のロック部受部２７ｂ１，２７ｂ２に挟まれ、上部構造体２２のロックピン２６ｂ１，２６ｂ２が下部構造体２３のロックピンホール２９ｂ１，２９ｂ２に嵌合され、下部構造体２３が上部構造体２２に固定される。それにより上部構造体群２０と下部構造体群２１との接合状態が保持され、所定の剛性を備えた柱状体としてのアーム部２が構成される。
＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、嵌合部は、下部構造体の突起が上部構造体のロック部の貫通孔に嵌合することにより、上部構造体と下部構造体がロックされるような構造になっていた。しかし、このような構造に限られず、他の構造によって上部構造体と下部構造体をロックする嵌合部を用いることも可能である。

例えば、上部構造体の凹凸構造の両側に固定されたロック部に、水平方向に湾曲部を設けて、この凹部に下部構造体上部に設けられた棒状体をロックする構造である。この実施形態について次に述べる。第１の実施形態においてアーム支持体、ハンド部、アーム部、共通ブロック体、駆動機構について記述した部分は、上部構造体や下部構造体について述べた部分を除いて、この第２の実施形態においても同様である。上部構造体及び下部構造体以外の部分については上記第１の実施形態におけると同じ番号を用いて説明する。

この実施形態における上部構造体４２の構造を図９Ａ及び図９Ｂに示し、下部構造体４３の構造を図１０に示す。図９Ａは、上部構造体４２の側面図であり、図９Ｂは、上部構造体４２のその進行方向に対する正面図である。図１０は、下部構造体４３の側面図である。図１１Ａは、下部構造体４３と上部構造体４２が連結した状態におけるその進行方向に対する正面図であり、図１１Ｂは下部構造体４３と上部構造体４２が連結した状態における側面図である。

この実施形態においても、平板上の上部構造体４２が連結されて上部構造体群を構成し、下部構造体４３が連結されて下部構造体群を構成する。
（下部構造体群（第２構造体群））
下部構造体４３の側面図を図１０に示す。下部構造体群は、複数個の下部構造体（第２構造体）４３から成り、すべての下部構造体４３は一端の下部構造体４３から他端の下部構造体まで一連となってつながっている。下部構造体群を構成する下部構造体４３の幅はいずれも等しい。図１０は、下部構造体４３が、上部構造体と連結される前の状態を示しており、回転軸中心Ｘを中心に矢印ＡＲ８方向に回動させることにより、上部構造体４２とかみ合わせられる。

図１１Ａに示すように、回動したとき上部となる下部構造体４３の上角部の内側には、両側から内部に突出した突出部４６ｂ１，４６ｂ２を有する。一方、図１０に示すように下部構造体４３の他の上角部の両側には、ロック部４２ｂ１，４２ｂ２を受けるロック部受部４７ｂ１，４７ｂ２を有する。

各下部構造体の底面部は回転軸中心Ｘに連結される。したがって、下部構造体群は下方に湾曲可能である反面、各下部構造体の側面は隣接する下部構造体同士が接触するので、上方に曲げようとしても曲げられず底面が直平面になる程度が限度である。
(上部構造体群（第１構造体群）)
上部構造体群は、複数の上部構造体（第１構造体）４２から成り、すべての上部構造体４２は、一端の上部構造体から他端の上部構造体まで一連に連結する。上部構造体４２同士は回転軸中心Ｙを介してこの回転軸中心Ｙを中心にして下方向に回転可能である。したがってアーム部２が伸びる状態のときには、最大限で上方向に回転するが、水平となる状態が限界であり、これは上部構造体群が直線状になっている状態を意味する。

上部構造体群の一端は共通ブロック体２６に固定されている。連結されている上部構造体４２はその中央付近に所定幅の凹凸構造４２ａを有する。上部構造体群を構成する上部構造体４２の幅はいずれも等しい。

上部構造体４２は、平板状の構造をしており、その移動方向の中央に有する凹凸構造４２ａの両側にロック部４２ｂ１，４２ｂ２を備える。

隣接する上部構造体４２はその境界の下部において回転軸を共通に有しこの回転軸中心Ｙを中心に回転する。

各上部構造体４２は板状体であり、隣の上部構造体４２と連結されている。上部構造体４２の連結部を、上方に曲げられない構造になるようにしている。したがって、上部構造体群は下方に湾曲可能である反面、上方に曲げようとしても曲げられず底面が直平面になる程度が限度である。

なお、上部構造体４２の凹凸構造４２ａの両側に設けられるロック部４２ｂ１，４２ｂ２は台形状をしており、台形の一面は垂直面４９ａであり、他面は斜面４９ｂになっている。そしてその中央付近に、横方向に棒状に湾曲する凹部４９が設けられている。

図１１Ｂに示すように、上部構造４２体と下部構造体４３がかみ合わされるときには、ロック部４２ｂ１，４２ｂ２の斜面４９ｂは、下部構造体４３のロック部受部４７ｂ１，４７ｂ２が当接され、凹部４９には左方から下部構造体４３の突出部４６ｂ１，４６ｂ２が挿入される。

この実施形態においても、第１の実施形態を示す図８Ｂで示したように、隣り合う下部構造体同士が接触する位置に対応して、一方に一対の半円球状の凹部を設け他方の対応する位置に半円球状の弾力性ある材料例えばゴムで構成される一対の弾力性突起を設けることができる。アームが伸張するとき、下部構造体群が伸張して、上部構造体群とかみ合わせられるときに下部構造体同士が回動してぶつかるが、上記凹部に上記弾力性突起が嵌合する。勿論、半円上でなくとも、凹部と弾力性突起は丁度半円状でなく、対応する凹部とこれに対応する弾力性ある突起が設けられていればよい。

伸張時前方にある下部構造体の両側ほぼ中央付近に凹部を設け、後方に連結される下部構造体の両側ほぼ中央付近に対応するゴム突起を設けた場合について示した。伸張時前方にある下部構造体の両側ほぼ中央付近にゴム突起を設け、後方に連結される下部構造体の両側ほぼ中央付近に対応する凹部を設けてもよい。

この実施形態においても、このような構造を採れば、弾力性突起の弾力性により下部構造体同士が接触する際に生ずる音を抑制することができる効果がある。

更に、下部構造体同士だけでなく、上部構造体同士、上部構造体と下部構造体同士の接触部分においても同様に、弾性突起と凹部を設けることができる。これにより、接触時の衝撃及び発生音を抑止することができる効果がある。

ところで、本発明では、かみ合わせられる構造体は、便宜上、上部構造体と下部構造体と称している。しかし、上部構造体は下部構造体より常に上に位置しているとか限られず、動作中、例えば回転関節などによりアーム部が回転させられるとき等においては上部構造体よりも下部構造体が上の位置にある場合もある。

上記実施形態において、上部構造体と下部構造体はほぼ半分の長さだけずれてかみ合わせるようにしていた。このようにすると、強度的に強い利点がある。しかし、本発明ではこのように半分の長さだけずらさず、一部ずらす、あるいは上部構造体と下部構造体をまったく一致させてかみ合わせるようにしてもよい。また上部構造体と下部構造体の長さも同じである必要は必ずしもない。

上記実施形態においては、上部構造体の下面中央に凹凸溝を設け、その両側にロック部を設けていた。しかし、上部構造体の下面中央に設けず偏らせて設けてもよい。また、ロック部も対称な位置に２個設ける必要はなく、対称でない位置に設けてもよく、更にロック部を上部構造体に１個設けるようにしてよい、
本発明の実施形態によれば、確実かつ円滑に伸張及び短縮することが可能な伸縮アーム機構及びロボットアームが得られる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…アーム支持体、２…アーム部、３…・ハンド部、１０…ロボットアーム、１１ａ…第１支持部、１１ｂ…第２支持部、１１ｃ…第３支持部、Ｊ１…第１回転関節部、Ｊ２…第２回転関節部、Ｊ３…直動伸縮アーム関節部、Ｊ４…第４回転関節部、Ｊ５…第５回転関節部、Ｊ６…第６回転関節部、Ｊ７…第７回転関節部、１６…２指ハンド、２０…上部構造体群、２１…下部構造体群、２２，４２…上部構造体、２２ａ…凹凸構造、２２ｂ１，２２ｂ２…ロック部、２３，４３…下部構造体、２４ａ…歯車、２４ｂ…ガイド部、２５ａ…回転軸、２５ｂ1，２５ｂ２…軸受部、２６…共通ブロック体、２６ｂ１，２６ｂ２…突起、２７ｂ１，２７ｂ２，４７ｂ１，４７ｂ２…ロック部受部、Ｘ，Ｙ…回転軸中心、２９ａ…垂直面、２９ｂ…斜面、２９…貫通孔、３１…凹部、３２…弾力性突起、４６ｂ１，４６ｂ２…突出部。

Claims (2)

1. 先端にハンド部が接続されるアーム部と、前記アーム部を端部において伸長短縮可能に支持するアーム支持体とを有する伸縮アーム機構において、
   前記アーム部は、
   前記アーム部の軸方向に直交する方向に回動可能に連結される複数の第１構造体と、
   前記第１構造体と同方向に回動可能に連結される複数の第２構造体とを有し、
   前記第１、第２構造体は直線的に配列され互いに重なり合うことにより回動制限され直線状に硬直し、前記第１、第２構造体は互いに分離することにより回動可能な状態に回復し、
   前記第１構造体には前記第２構造体側に向かって突出する突起部が設けられ、
   前記第２構造体の前端には前記突起部に係合する第１係合部が設けられ、
   前記第２構造体の後端には前記突起部に係合する第２係合部が設けられ、
   前記第２構造体の直線状態への回動に伴って前記突起部は前後から前記第１、第２係合部により押えられ、
   前記第２係合部の後端面と前記突起部の前端面とが互いに当接し、前記第２係合部の後端面と前記突起部の前端面とは前記アーム部の軸方向に対して傾斜し、
   前記突起部にはピンホールが設けられ、
   前記第１係合部には前記ピンホールに挿入される、前方に突出したピンが設けられ、
   前記ピンホールと前記ピンは前記アーム部の軸方向に対して平行であることを特徴とする伸縮アーム機構。
2. 前記突起部は前記第１構造体の前後中央に設けられることを特徴とする請求項１記載の伸縮アーム機構。
   

Images