JPH0215351B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ロボツトの手首部、アーム部等に用
いることもできる小刻みに屈曲するいわゆるフレ
キシブル関節機構に関するものである。

「従来技術及びその問題点」 従来、上記のような多数のリンク等を組み合わ
せてなるフレキシブル関節機構はリンク等の回動
部が多く、摩擦に頼つているため先端部分にかか
つた荷重が各関節においてほぼ指数関数的に増幅
され、根本の駆動源において負荷が非常に高くな
る欠点がある。また、リンクの回動部継手の連結
部、歯車の噛み合い部等のガタが累積され、先端
部での位置決め精度をあまり高くできないという
欠点を有している。

例えば、特開昭52−111158号公報に記載された
フレキシブル関節機構では、回転トルクの伝達が
自在継手により行われているが、同時に関節にか
かつた曲げモーメントによつて生じる反力もこの
自在継手が受けている。しかしながら、自在継手
の場合、各ピンにラジアル荷重のみがかかつてい
る場合はあまり大きなガタを生じないが、同時に
ピンの軸方向へのスラスト荷重がかかるとガタや
弾性変形の要因となり、これらの誤差が根元部分
から先端部分に累積されて先端部分における大き
な位置の誤差となつてあらわれる。上記特開昭52
−111158号公報に記載された関節機構に関わら
ず、多くのフレキシブル関節機構は、上記のよう
な問題点を有する。

「発明の目的」 本発明は上記のように、従来のフレキシブル関
節機構が自在継手の部分に荷重がかかるために位
置決め精度が悪く、また大きな駆動力を要する点
に鑑み、回転トルクを伝達する部分と曲げモーメ
ントにより生ずる反力を受ける部分とを分離さ
せ、自在継手は専ら回転トルクの伝達部分にのみ
使用されるような特殊な機構のフレキシブル関節
機構を提供し、駆動源に大きな負荷がかからず、
また位置決め精度のよいフレキシブル関節機構を
提供することを日的とする。

「発明の構成」 上記目的を達成するために本発明が採用する主
たる手段は、Ｎ個（Ｎは３以上の奇数）のリンク
部材を各リンク部材に直角で相互に平行なピンを
介して一平面内において相互に揺動可能に順次連
結すると共に、奇数番目（第ｎ番目）のリンク部
材に対してその隣の偶数番目（第ｎ＋１番目）の
リンク部材を揺動させた時、その揺動角度に応じ
て第ｎ＋２番目のリンク部材が第ｎ番目のリンク
部材に対して揺動するように、各リンク部材の端
部に形成した歯車を噛み合わして第ｎ番目と第ｎ
＋２番目のリンク部材を連結し、上記奇数番目の
リンク部材の外側にこのリンク部材の軸芯のまわ
りに回動可能な筒状外枠を支持し、この奇数番目
の筒状外枠と、これに隣接する偶数番目のリンク
部材とを自在継手を介して揺動可能に連結し、更
に関節の一端部側のリング部材又は筒状外枠をア
クチユエータに連結すると共に、他端部側のリン
ク部材又は筒状外枠を工具取付軸に連結した点で
ある。

「実施例」 続いて本発明を具体化した実施例につき図を参
照しつつ説明し、本発明の理解に供する。ここに
第１図は本発明の一実施例にかかる関節機構全体
の側断面図で、途中で２つに分割されて描かれた
ものであり、第２図、第３図、第４図、第５図
は、それぞれ第１図に示されたＡ−Ａ矢視断面
図、Ｂ−Ｂ矢視断面図、Ｃ−Ｃ矢視断面図、Ｄ−
Ｄ矢視断面図である。

なお、以下の実施例は本発明の具体的一例に過
ぎず、本発明の技術的範囲を限定する性格のもの
ではない。

第１図に示す如く、この実施例の関節機構は大
別して屈曲状態で示されている手首本体Ｂとその
根元に配設される駆動源とよりなる。まずアーム
Ｄ内に収容された減速機付モータや液圧モータ等
よりなる回転アクチユエータ４８の駆動軸は、平
歯車４７を介して前記アームＤの先端筒３１の軸
芯に沿つて配設された回転伝達管３２の駆動源側
に設けられた平歯車４６と噛み合つている。上記
回転伝達管３２は前記先端筒３１内に同軸に設け
られた軸受４１，４０を介して先端筒３１に回動
可能に支承された第１リンク部材１を先端に有し
ている。上記第１リンク部材１の先端が歯車１０
に構成され、この歯車１０より駆動源側に植通し
たピン６（紙面に垂直）によつて第２リンク部材
２が揺動自在に連結されている。

上記第２リンク部材２は３個の回動自在なピン
接続部を一直線上に有している。すなわち駆動源
に最も近いピン接合部は、ピン２５を介してロツ
ド２６を揺動可能に有しており、これに隣接する
２番目のピン接合部は前記ピン６を介して第１リ
ンク部材１が揺動可能に接合されている。また、
最も先端側の接続部はピン７を介して第３リンク
部材３を揺動可能に有している。上記ピン２５，
７は共にピン６と同一方向であり、従つて第２リ
ンク部材２、および第３リンク部材３は、共に第
１図に示した状態において第１図の紙面に平行な
方向にのみ揺動可能である。また、上記第２リン
ク部材の先端側端部には歯車１２が形成されてい
る。

同様に第３リンク部材３は、回動自在なピン接
続部を２個所持つており、そのうち駆動源側の接
続部は、前記第２リンク部材２とピン７により連
結され、先端側の接続部は、前記ピン７と平行の
ピン８を介して第４リンク部材４を第３リンク部
材３の揺動方向と同じ方向に揺動可能に有してい
る。この第３リンク部材３の駆動源側先端には、
前記第１リンク部材１の歯車１０と噛み合う歯車
１１が、また先端側端部には歯車１４が形成され
ている。

上記第４リンク部材４は、同様にピン接続部を
２個持ち、１つは既に述べた第３リンク部材３と
ピン８を介して接続され、更に先端側の接続部は
ピン９を介して第５リンク部材５につながつてい
る。第４および第５リンク部材４，５の揺動方向
も第２および第３リンク部材２および３の揺動方
向と同一である。また、第４リンク部材は駆動源
側端部にのみ歯車１３が形成され、これが第２リ
ンク部材２の前記先端側に形成した歯車１２と噛
み合つている。

第５リンク部材５は、その駆動源側端部が前記
第３リンク部材３の先端側に形成した歯車１４と
噛み合う歯車１５を形成し、かつその先端側端部
には支持軸７０が形成されている。

なお、上記第５リンク部材５が、この実施例の
場合、組み合わせリンクの最終リンクで、リンク
数Ｎ＝５であるが、中間に同じ構造のリンク部材
を追加し、関節数を増やしたり、リンク部材を削
除して関節数を減らしたりすることは可能であ
る。

前記第１リンク部材１の中間部には、前記ピン
２５，６などと同じ方向のピン３５が植設され、
これに円筒状のボス２８が揺動自在に取り付けら
れており、ボス２８には先端にピン３４を植設し
たレバー２７が固着されている。このボス２８の
円筒内にはブツシユ４５が嵌入され、このブツシ
ユ４５内に前記ロツド２６が摺動自在に挿入され
ている。上記ピン３４には、リンク３０が揺動自
在に係着され、リンク３０の駆動源側端部は、ピ
ン３６を介してブラケツト２９に揺動自在に係着
されている。上記ブラケツト２９は軸受３７を介
して前記回転伝達管３２内にブツシユ４３を介し
て摺動可能に装着された推力伝達軸４２に回動可
能に取り付けられている。また、推力伝達軸４２
は、更にブツシユ４４により回転伝達管３２に支
持され、その駆動源側端部は、矢印７１で示す作
動方向を持つ電動シリンダや液圧シリンダ等より
なる推力アクチユエータ４５に連結されている。

次に先端の取付軸７３へのトルク伝達機構を説
明する。上記回転伝達管３２と平行に設けられた
伝導軸５０は、その駆動源側端部に歯車５１を有
し、この歯車５１が回転アクチユエータ５３の駆
動軸に設けられた歯車５２と噛み合つている。上
記伝導軸５０の先端側端部に設けられた歯車４９
は、前記先端筒３１に軸受４１によつて回転自在
に支承された筒状の第１外枠１６の駆動源側端部
に取り付けた内接歯車３８と噛み合つている。

上記第１外枠１６は、前記第１リンク部材１に
一体の保持板３９に前記軸受４０により回転可能
に支持されており、上記第１外枠１６の先端側端
部にはピン５４を介して自在継手２１が連結さ
れ、この自在継手２１には第２図に示す如く、筒
状の第２外枠１７がピン５５を介して第１図示の
状態において第１図の紙面と平行な面内で揺動自
在に連結されている。

同様に上記第２外枠１７とその先端側の筒状の
第３外枠１８との間は第３図に示すごとく自在継
手２２を介してピン５７，５８により連結されて
いる。また第３外枠１８の先端側端部には自在継
手２３が設けられ、この自在継手２３を介して筒
状の第４外枠１９が連結されていると共に、第４
外枠１９と筒状の第５外枠２０との間は、自在継
手２４により連結されている。

なお、第３外枠１８は前記第３のリンク部材３
に一体の保持板７２に内輪を固定された軸受５９
により第３リンク部材３の外側に回動可能に支持
されている。更に前記第５外枠２０は、前記支持
軸７０、軸受６０によつて回動可能に取り付けら
れ、その先端に設けた取付軸７３に溶接トーチや
塗装ガン等の工具などが、取り付けられている。

以上述べた構成において、ピン３６，３５，６
は一直線上に、又ピン２５，６，７は一直線上に
それぞれ設けられている。

次に以上述べた実施例の作動につき説明する。
まず第１図に示した如く、屈曲した状態の手首本
体Ｂを真つ直ぐに伸ばす場合には、推力アクチユ
エータ４５を作動させて推力伝達軸４２を先端方
向へ押し出す。これにより、レバー２７がリンク
３０を介して推力伝達軸４２によつて押され、ピ
ン３５を中心として時計方向に回動する。従つて
同時にボス２８も時計方向に回動し、その内部に
摺動自在に挿入されたロツド２６がブツシユ４５
内へ押し込まれ、第２リンク部材２がピン６を中
心として反時計方向に回動する。この回動によ
り、歯車１０，１１を介して第１リンク部材１に
係合する第３リンク部材３が、ピン７および歯車
１０，１１の噛み合い点を中心として反時計方向
に揺動する。こうして、第３リンク部材３が揺動
すると、この第３リンク部材３にピン８を介して
揺動可能に取り付けられ、かつ、第２リンク部材
の端部に設けた歯車１２（歯車１３と噛み合う）
により、第２リンク部材と係合する第４リンク部
材４が歯車１２，１３の噛み合い点、およびピン
８を中心として反時計方向に揺動する。同様に第
５リンク部材５も歯車１４，１５の噛み合い点お
よびピン９を中心として反時計方向に回動する。
こうして、ボス２８がピン３６，３５，６を結ぶ
直線に平行となつた時点で、ロツド２６、第２リ
ンク部材２、第３リンク部材３、第４リンク部材
４、第５リンク部材５がすべてピン３６，３５，
６を結ぶ直線上に一直線に並び、手首本体Ｂが直
線状態となる。

再度手首本体Ｂを屈曲させたい場合には、前記
と逆に推力アクチユエータ４５を駆動して推力伝
達軸４２を駆動源側へ引き、第２リンク部材２を
第１リンク部材１に対して傾ける。

こうして、第１リンク部材１と同軸上に直線状
態となつた手首本体Ｂ、または第１図示の如く屈
曲状態となつた手首本体Ｂを前記ピン回転伝達管
３２の軸線回りに旋回させるには、回転アクチユ
エータ４８を回転させ、歯車４７，４６を介して
回転伝達管３２を回転させる。これにより、第１
リンク１、及びこれより先端側に取り付けられた
すべての部材がピン３６，３５，６を結ぶ直線の
回りに旋回運動する。このときブラケツト２９、
リンク３０、レバー２７、ボス２８も当然第１リ
ンク１と共に旋回するが、推力伝達軸４２は回転
しない。これは、推力伝達軸４２とブラケツト２
９とが軸受３７によつて回動自在に連結されてい
ることから可能となる。

また手首本体Ｂを第１図に示した状態、または
真つ直ぐに伸ばした状態において回転アクチユエ
ータ５３を作動させると、その回転は歯車５２，
５１を経て伝導軸５０に伝達され、歯車４９、内
接歯車３８によつて第１外枠１６が第１リンク部
材１の回りに旋回する。第１外枠１６の先端に
は、自在継手２１を介して第２外枠１７が連結さ
れているので、第１外枠１６の回転は第２外枠１
７に伝達され、同様に第２外枠１７の回転は自在
継手２２を介して第３外枠１８へ、また更に自在
継手２３を介して第４外枠１９へと伝達され、更
に自在継手２４を経て第５外枠２０に伝達され
る。従つて第５外枠２０に取り付けた取付軸７３
が回転し、これに取り付けた溶接トーチや塗装ガ
ン等の工具が支持軸７０のまわりに回転する。

以上述べたように、この実施例では手首本体Ｂ
の屈折運動は、専ら第１乃至第５リンク部材の連
結部であるピン６，７，８，９及び歯車１０，１
１，１２，１３，１４，１５を経て伝達される。
この場合、上記歯車１０，１１，１２，１３，１
４，１５は、上記手首本体Ｂを屈折させる際の第
３乃至第５リンク部材３乃至５の各揺動角度を規
制する作用をもなす。従つて手首本体の屈折に伴
う曲げモーメントはこれらのピンや歯車に作用す
るのみで自在継手２１乃至２４には作用しない。
そして、かかる自在継手２１乃至２４は専ら第１
外枠１６から第５外枠２０に至る回転トルクを伝
達するのみである。

なお、上記第１図に示した推力伝達軸４２の往
復運動を第２リンク部材２の揺動運動に置き換え
るためのボス２８やロツド２６よりなる変換手段
は図示のものに限らず、例えば歯車やチエーン等
を用いて行つてもよく、また必ずしも推力伝達軸
のように往復運動を行うものを用いず、回転運動
から第２リンク部材２の揺動運動に変換する周知
の機構を用いてもよい。

また、上記実施例では本発明の関節機構をロボ
ツトの手首部分に適用した場合についてのみ説明
したが、本発明をアーム部分に適用し得ることは
当然である。

「発明の効果」 本発明は以上述べたように、Ｎ個（Ｎは３以
上）のリンク部材を各リンク部材に直角で相互に
平行なピンを介して一平面内において相互に揺動
可能に順次連結すると共に、奇数番目（第ｎ番
目）のリンク部材に対してその隣の偶数番目（第
ｎ＋１番目）のリンク部材を揺動させた時、その
揺動角度に応じて第ｎ＋２番目のリンク部材が第
ｎ番目のリンク部材に対して揺動するように、各
リンク部材の端部に形成した歯車を噛み合わして
第ｎ番目と第ｎ＋２番目のリンク部材を連結し、
上記奇数番目のリンク部材の外側にこのリンク部
材の軸芯のまわりに回動可能な筒状外枠を支持
し、この奇数番目のリンク部材と、これに隣接す
る偶数番目の筒状とを自在継手を介して揺動可能
に連接し、更に当該関節の一端部側のリンク部材
又は筒状外枠をアクチユエータに連結すると共
に、他端部側のリンク部材又は筒状外枠を工具取
付軸に連結したことを特徴とする関節機構である
から、関節部分先端への回転トルクの伝達は専ら
自在継手を連結した経路を経て伝達されるが、こ
のような回転トルクは一般に大きな負荷を受ける
ものでないため関節先端の位置決め制度が高度に
保たれる。そして、大きな負荷を生じる関節の曲
げモーメントの伝達は、ピン結合を経て行われ、
かかるピン結合はラジアル荷重に対して、大きな
ガタや弾性変形を生じないので、全体として従来
の曲げモーメントを自在継手を経て伝達する装置
と比べて遥かにガタや弾性変形が少なくなり、関
節先端の位置決め精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる関節機構全
体の側断面図で、途中で２つに分割されて描かれ
たものであり、第２図、第３図、第４図、第５図
は、それぞれ第１図に示されたＡ−Ａ矢視断面
図、Ｂ−Ｂ矢視断面図、Ｃ−Ｃ矢視断面図、Ｄ−
Ｄ矢視断面図である。 （符号の説明）、Ａ……関節機構、Ｂ……手首
本体、Ｃ……駆動源、Ｄ……アーム、１〜５……
第１〜第５リンク部材、６〜９……ピン、２１〜
２４……自在継手、１６〜２０……第１〜第５外
枠、４８，５３……回転アクチユエータ、４５…
…推力アクチユエータ、３１……先端筒、３２…
…回転伝達管、１０〜１５……歯車、２６……ロ
ツド、２８……ボス、５０……伝導軸、３９，７
２……保持板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｎ個（Ｎは３以上）のリンク部材を各リンク
   部材に直角で相互に平行なピンを介して一平面内
   において相互に揺動可能に順次連結すると共に、 奇数番目（第ｎ番目）のリンク部材に対してそ
   の隣の偶数番目（第ｎ＋１番目）のリンク部材を
   揺動させた時、その揺動角度に応じて第ｎ＋２番
   目のリンク部材が第ｎ番目のリンク部材に対して
   揺動するように、各リンク部材の端部に形成した
   歯車を噛み合わして第ｎ番目と第ｎ＋２番目のリ
   ンク部材を連結し、 上記奇数番目のリンク部材の外側にこのリンク
   部材の軸芯のまわりに回動可能な筒状外枠を支持
   し、この奇数番目の筒状外枠と、これに隣接する
   偶数番目のリンク部材とを自在継手を介して揺動
   可能に連接し、 更に当該関節の一端部側のリンク部材又は筒状
   外枠をアクチユエータに連結すると共に、他端部
   側のリンク部材又は筒状外枠を工具取付軸に連結
   したことを特徴とする関節機構。