JPH01177988A - 関節機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は関節機構、特に簡単な構成によって任意の方向
に折り曲げ可能な関節機構に関するものである。

［従来の技術］ 固定側がら延びたアームその他を自由に任意方向に折り
曲げる為に関節機構が用いられ、ロボットの操作腕、各
種産業機械のマニピュレータその他として広く利用され
ている。

通常の関節機構は、折り曲げ可能なアーム間に設けられ
た軸をモータその外によって回転することによりアーム
の角度を調整し、これらの関節を複数個設けることによ
って１千意の方向にアーム先端を動かすことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来のモータ駆動される多軸
関節機構は、構造が複雑となるとともに、関節機構自体
の重量が増加するために、その使用個所が限定されると
いう問題があり、汎用性に優れたかつ小型軽量な関節機
構としては不適当である。

また、従来の関節機構では、モータの回転角度を正確に
制御できることから、アーム先端位置を高精度で制御で
きる利点はあるが、一方において、関節の接続数が制約
され、滑らかな動きが得られないという問題があり、更
に、アームの軸方向に対する動きを必要とする場合には
、その為に専用の伸縮機構を設けなければならないとい
う問題がある。

発明の目的 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は、簡単な構成によって操作性に優れた滑らかな
動きを行い得る新たな関節機構を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、複数の関節ユニ
ットをそれぞれ屈曲可能な構成とし、このような関節ユ
ニットを直列に接続することによって所望の多軸方向の
動きを滑らかに達成したことを特徴とする。前記関節ユ
ニットはそれぞれ固定プレートと可動プレートを有し、
両プレートにはこの位置方向側面に屈曲面に沿った少な
くとも一対の関節駒を有し、これらの関節駒は固定プレ
ート側と可動プレート側において互い対向して配置され
る。

そして、対向配置された両プレートの関節駒には操作ワ
イヤが貫通配置され、可動プレートにその操作ワイヤ先
端が固定されている。

従って、本発明によれば、操作ワイヤを弛めれば、固定
プレートと可動プレートとは極めてルーズな結合となり
、このような関節機構で構成された例えばロボットのア
ームはその先端位置が自由に回ることが理解される。そ
して、このような自由な状態から、アームを所望の位置
に傾け、かつその状態を保つよ゛うにするためには、各
関節二ニット毎に設けられた操作ワイヤを伸張操作し、
これによって、対向している関節駒を少なくとも一方で
接触させ、あるいは僅かな間隔を持って対面させ、これ
によって各関節ユニットを予め定められた屈曲面に沿っ
て所望位置に傾けることができる。

従って、このような傾は操作を各関節ユニット毎に行え
ば、全体のアームとしてその先端位置を任意の方向に規
制することができる。

本発明において、各関節ユニット毎の固定プレート可動
プレートとの伸び縮みは操作ワイヤの伸張により行われ
、従来のようなしっかりとした固定状態は得られないが
、関節駒は互いに対面しており、かつその対面する間隙
を小さく設定することによって、固定プレートと可動プ
レートとの相対移動を僅かな量に抑制することができ、
これによって、可動プレートの傾きをほぼ一定の位置に
定めることが可能となる。

また、両プレート間の位置を極めて堅く保持したい場合
には、操作ワイヤの一方を緊張状態におき、対面する関
節駒を接触させ、かつ他側の操作ワイヤの延びを僅かに
し、すなわち関節脚間の間隙を少なくすることによって
関節ユニットも剛性を高め、堅い関節機構を提供し得る
。

そして、本発明によれば、このような関節ユニットを複
数個直列接続するので、全体のアームとして極めて滑ら
かな動きを達成することができる。

［実施例］ 以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を説明する。

第１図に本発明にかかる関節機構の動作の基準単位とな
る関節ユニットの構造及び作用の基本原理を示す。同図
（Ａ）において、固定プレートｌＯ及び可動プレート１
２にはそれぞれ所定間隔をもって２本の関節駒１４ａ、
１４ｂ及び１４Ｃ及び１４ｂがそれぞれ固定されている
。両プレート１０．１２に固定された各関節駒１４の中
心部には操作ワイヤ１６ａ、１６ｂが固定プレート１０
から可動プレート１２に向けて貫通し、その先端が可動
プレート１２に固定されている。

従って、操作ワイヤ１６ａ、１６ｂを伸縮操作すること
により、固定プレート１０側の関節力１０ａ、１０ｂに
対する可動プレート１２側の関節力１２ａ、１２ｂの角
度が変化し、互いに独立した操作ワイヤ１４ａ、１４ｂ
の相対伸縮量を調整することによって関節ユニットを所
望角度に所望程度屈曲することができる。

すなわち、同図（Ａ）の各関節力１４が対面当接した状
態から、同図（Ｂ）に示されるように操作ワイヤ１６ａ
の緊張状態を保持あるいはごく作かな量だけ弛め、他方
操作ワイヤ１４ｂを弛めて繰り出せば、図に示されるご
とく可動プレート１２側の関節力１２ａ及び１２ｂは左
下方に向けて屈曲することになる。同様に、操作ワイヤ
１６ｂを緊張状態に保持し、１４ａを弛めれば、同図（
Ｃ）のように今度は右下方に向けて屈曲させることがで
きる。

こうした操作ワイヤの引張及び繰り出しく弛緩）を任意
に選択操作することで、屈曲面、すなわち第１図におい
ては図に対して左右方向における所望角度の関節ユニッ
トの折れ曲がり作用を達成できる。

以上が基本的な原理であるが、実際のロボット腕等への
適用においては、その断面を示した第２図（Ａ）のよう
に各プレート間は伸縮性及び可撓性を備えたベローズ１
８等を用いて結ばれ、また、各プレートの中心部にはロ
ボット腕の先端部に取り付けられるハンドピース等の動
作を制御するための配線用孔２０が貫通形成されるのが
通例である。

上記第１図においては、各プレート上に固定される関節
力は一対のみであることから、その関節ユニットの屈曲
方向は所定の単一面すなわち図の左右方向のみに限定さ
れていたが、第２図（Ｂ）に示すように各プレートに固
定される関節力を更に２本加えて上下左右の４本とする
ことにより、関節ユニットの屈曲可能方向の範囲が拡大
され、上下方向すなわち垂直方向に関する屈曲動作が可
能となる。

また、前記第１図に示すような固定プレート１０と可動
プレート１２との間の屈曲部が関節力１４ａと１４ｃ及
び１４ｂと１４ｄとの間のそれぞれ１個所のみであると
、関節力が座屈したり、また屈曲方向の切り替え制御を
円滑に行うことが難しい。

このため、第３図に示すように固定プレート１０と可動
プレート１２との間で各関節力１４を更に再分割するこ
とにより、分割された関節脚間でより細かな屈曲が生じ
、この結果、関節ユニット全体として不自然に角張るこ
となく曲線状の滑らかな動きを得ることができる。

第３図において、関節ユニットＩはＡからＦに６分割さ
れ、この分割され直列に配置された固定プレート１０か
ら可動プレート１２にかけての上下左右針４本の関節脚
列を通してそれぞれ一本の操作ワイヤが貫通されること
になる。　　゛従って、この操作ワイヤ１６を上記原理
に基づいて操作すれば、第３図に示すような滑らかな曲
線状の動きが得られる。

そして、このような関節ユニットを更に復数個直列に連
接すれば、各関節ユニット毎に独立した任意方向への屈
曲動作を行わせることができる。

この場合には、ワイヤの駆動制御が行われる根元部から
先端部に行くに連れてその関節ユニットの関節力に貫通
される操作ワイヤの距離が長くなり、例えば第３図（Ｂ
）に示す関節ユニッＩ−Ｉを５個連接した場合には、同
図（Ａ）に示すように各関節ユニットの関節力を貫通す
るワイヤは５本となり、このような関節力が上下左右の
４本名プレートに固定されるために、各関節ユニットを
通じて通される操作ワイヤの数は合計２０本ということ
になる。

第４図には、第３図において示した関節ユニットを複数
個直列連結して形成したー関節機構により行い得る変化
に富んだいわゆるエレファントノーズ状の柔らかい動き
を模式的に示した。

前述したごとく、図においては、５個の関節ユニッ）Ｉ
−Ｖが直列連結された状態が示され、駆動部２２により
上記原理に基づいて操作ワイヤ１６の伸縮制御を行うこ
とで多軸方向への屈曲動作を行わせることができる。

第５図には、本発明にかかる関節ユニットの一屈曲面に
おける操作ワイヤの伸縮制御を行なうための駆動機（、
■の一例が示され、実施例においては、操作ワイヤ１６
を単一ワイヤで形成し、これを駆動部２２内において複
数個のプーリ２４を介してモータ駆動制御を行う構成と
している。

従って、例えばモータ２６を時計方向に回転させれば、
操作ワイヤは関節脚１４ｂ側がら関節脚１４ａ側に流れ
るように制御され、この結果、図に向かって右側の関節
脚列の間隙が閉じられて剛性状態に保たれるとともに、
左側の関節脚列の間隔が開いてルーズな状態となる。こ
れにより、関節ユニットＩに関して右下方向への可動側
の屈曲がなされることとなり、このような駆動機構を連
接される各関節ユニット毎に上記二層曲面におけるワイ
ヤの伸縮制御を行うよう設けることにより、関節機構全
体として多軸方向に関する柔軟性に富みかつストローク
の大きな円滑動作が得られる。

また、一方を弛めて他方を緊張状態に保持するというワ
イヤの操作方法ではなく、両ワイヤを同１１＋ｉに所定
量弛めれば、この関節機構自体が僅かなからその弛め量
に応じて伸張するので、関節機構の軸方向への長さ自体
をも制御可能になることが理解される。

このように、本発明によれば、比較的簡単な構成でかつ
安価で容易な操作駆動機構により極めて滑らかで柔軟性
に富みかつ所要の剛性をも確保し得る汎用性に富んだ関
節機構が得られる。従って、これをロボット腕や各種産
業機器のマニュピレータ等に応用すれば、よりきめ細か
い動作制御が可能となり、作業精度及び生産能率の向上
に大きく寄与できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、一対の対向配置
されたプレートの形部状に少なくとも一対の関節脚をそ
れぞれ固定するとともに各関節脚が互いに対向するよう
配置して両プレート側関節脚間の距離をその内部を通し
た操作ワイヤにより駆動制御することにより可動プレー
トの屈曲動作を得るように１１４成したので、特別の駆
動機構を要することなく比較的簡単安価な構成で柔らか
いかつ使用性の良い関節機１１４を達成し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る関節ユニットの原理（を成因、 第２図は本発明に係る関節ユニットの断面図、第３図は
関節ユニットの各関節脚を分割することにより得られる
動作の模式概略図、 第４図は本発明に係る関節ユニットを連設した場合の動
作を示した説明図、 第５図は本発明に係る関節機構の駆動部の構成例である
。 １０・・・固定プレート １２・・・可動プレート １４・・・関節脚 １６・・・１：■作ワイヤ 第１図 （Ａ）　　　　　　　　　　（Ｂ） （Ｃ） 第２図 （Ａ） （Ｂ） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 それぞれ所定の方向に屈曲可能な複数の関節ユニットを
   直列に接続配置した関節機構であって、各関節ユニット
   は、 一方の側面に少なくとも一対の関節脚が予め定められた
   屈曲面に沿って固定された固定プレートと、位置方向側
   面に少なくとも一対の関節脚が屈曲面に沿って固定され
   、前記固定プレートに対して互いに関節脚が開口するよ
   うに配置された可動プレートと、 各関節脚を固定プレート側が可撓プレート側に貫通して
   先端が可動プレートに固定された操作ワイヤとを含み、 操作ワイヤの伸張によって、対向配置されている固定プ
   レート及び可動プレートの関節脚間の間隙を調整するこ
   とによって所定の屈曲面に沿って可動プレートを固定プ
   レートに対して屈曲操作することを特徴とする関節機構
   。