JPH0243671Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本考案は、肩部枠と上腕と前腕とを駆動するた
めの構成を改良したマニピユレータ等の関節構造
に関する。

Ｂ 考案の概要 ロボツト、マニピユレータ等において、 上腕の前後振りとねじり及び肘の折曲げの３自
由度を駆動する駆動モータ部を肩より上部に集中
配置するとともに、前記各３自由度の動きの中心
となる軸心を交差させ、かつ各駆動系は相互に干
渉がない構造とすることにより、 上腕部に関するバランスウエイトを必要としな
いとともに、人間の腕に近い作動形態とし、さら
に構造が簡潔でスムーズな動きを行なわせること
ができるものである。

Ｃ 従来の技術と問題点 ロボツト，マニピユレータ等において、肩部自
身の関節を駆動する機構及び肩部からの動力伝達
を受けて駆動する肘部関節の駆動機構は大きく分
けてアクチユエータの集中配置方式とアクチユエ
ータの分散方式とがあるが、いずれにもそれぞれ
問題があつた。

すなわち、アクチユエータ集中配置方式のマニ
ピユレータは肘部や肩部を動かす駆動部を一個所
に配置して、そこから各関節を経由して先端側の
関節を駆動するのであるが、前記肘部と肩部の動
きに３自由度程度以上の動きを与える場合は駆動
系の干渉を起していた。すなわち、一つの関節軸
を駆動すると機構上他の関節軸も動いてしまう
か、又は一つの関節軸を駆動するには他の関節軸
も共調して動かさなければならず、任意の一関節
のみを他と関係なく駆動することができなかつ
た。

これに対し、アクチユエータ分散方式は、関節
駆動モータなどを各関節毎にそれぞれ配置する方
式であるが、腕の自重バランスに対してモータ重
量が負荷となるという欠点があり、さらに、機械
的バランスウエイトも大きくなるなど全体の寸
法，自重が大となるという欠点があつた。

その他、肩関節に単に自由度のみを与えるよう
に機械的に作動軸を偏心させて構成することもあ
るが、特に遠隔操縦形のマニピユレータにおいて
は、肩関節における上腕部の軸線に沿つた回動と
前後方向の振りのときにおける支点が別の位置に
あり、力帰環制御など操縦桿の場合には人間が扱
いにくい。つまり、関節の構成は極力人間と同じ
ように作動することが望まれるが、これを肩関節
についてみれば肘（つまり、腕）の旋回軸と肘を
伸したときの手先の位置が一直線上にあつて、そ
の軸と直交するような水平軸で肘部を前後に振る
ような肩の関節が理想的であり、このような構成
がマニピユレータを扱う人間にとつても操作し易
いのであるが、従来の関節はそのような構造とな
つていなかつた。

本考案はマニピユレータの肩の上部に駆動部を
配設し、各関節部の動きは他の駆動系と独立して
いて干渉せず、また人間の肩部関節に近した構成
とすることによつて従来の欠点を解決したもので
ある。

Ｄ 問題点を解決するための手段 すなわち、本考案に係るマニピユレータ等の腕
関節構造は基台に固定した中心軸に肩部枠を揺動
自在に支持し、肩部枠に上腕をねじり回転自在に
支持し、かつ該肩部枠の回転中心より上部に、上
腕の前後振り、肘の旋回、つまり上腕のねじり回
転及び前腕の折曲げの３自由度を個別に駆動する
モータ部を設け、前腕の折曲げ駆動用モータ部は
上腕の上端に取付け、その出力軸は上腕内を挿通
して肘関節部まで導き、前記出力軸に設けた傘歯
車を介して前腕に連動させてあり、バランスウエ
イトはその回転中心軸が、肩部枠の中心軸と同一
線上にあるとともに、前腕折曲げ駆動用出力軸と
連動させて設け、かつ配置位置は肩部枠の中心軸
より上部とし、上腕の外周に設けた歯車と、該上
腕ねじり駆動用のモータ部の出力歯車とを噛合さ
せたことを特徴とする。

Ｅ 作用 上記構成において、水平に配設した中心軸を支
軸として上腕は肩部枠と一体に揺動して前後に振
られ、このとき腕部は、肩部枠に設けたモータ部
の自重及びバランスウエイトとの関係で平衡を保
つて振られ、また、上腕の前後振りと、腕部の旋
回の中心軸が直交していて共通の回動中心を持つ
ており、さらに、肘関節を中心に前腕を折曲げる
ときもバランスウエイトが連動して動き、前腕は
バランスされて動作する。

Ｆ 実施例 本考案を第１図〜第３図に示す実施例によつて
説明する。

第１図に示すマニピユレータにおいて、５は上
腕、６は前腕である。これら各腕とその関節の駆
動機構は基台１を中心としてその左右側に対称的
に、あたかも人間の両腕の配置と相似の関係に設
けられている。図では、その片側を切断してその
機構を示すので、以下ではこの切断された部分に
ついて説明する。

本実施例に係るマニピユレータの腕は３つの自
由度を有する。すなわち中心軸２６を中心とする
上腕５の前後方向、つまり第２図Ａ−A′方向の
振りと、肘部回動軸６２を中心とする前腕６の折
曲げ、つまり第２図Ｂ−B′方向の動きと、上腕
５と前腕６のそれぞれの軸線を中心とする旋回、
つまりＤ−D′方向の動きである。前記腕部のＡ
−A′方向と、Ｂ−B′方向とＤ−D′方向の３つの
動きを行なわせる手段としてそれぞれモータ及び
減速機などから構成される駆動部２，３，４が肩
部枠２５に配置され、さらにバランスウエイト７
がその側方に配設される。

以下順に各部の構造と動きを説明する。駆動部
２は、上腕５に前後方向、つまり第２図Ａ−
A′方向の動きを行なわせるためのものであり、
肩部枠２５上に取付けてある。駆動部２の出力軸
に固着した傘歯車２１は基台１の側部に水平に固
定してある中心軸２６に取付けた傘歯車２２と噛
合している。前記肩部枠２５は軸受２３，２４を
介して中心軸２６に回動自在に支持させてある。
したがつて、駆動部２の出力は傘歯車２１を駆動
し、該傘歯車２１は基台１に固定された中心軸２
６の傘歯車２２の周囲を旋回する。すなわち、軸
受２３，２４を介して、肩部枠２５が回動する。
この結果上腕５は前後（第２図Ａ−A′方向）に
振られる。

駆動部３も肩部枠２５の上部に固定されてい
て、その出力歯車３１は上腕５の上部枠外周に取
付けた歯車４１と噛合している。したがつて、駆
動部３の出力は、歯車３１を介して上腕５をその
軸線に沿つてＤ−D′方向に回動させる。これに
よつて前腕６が真直ぐな状態で、または上腕５に
対し所定の角度曲つた状態で肘を旋回することが
できる。なお、この上腕５の回動は、上部の軸受
４２，４３により受けられている。つまり、この
軸受４２，４３は歯車４１と駆動部４とを一体的
に受けているものである。

駆動部４は歯車４１と一体に固定されていて、
したがつて上腕５の腕枠と一体に設けられている
が、その出力軸４４は歯車４１の中央穴を貫通し
ているだけで歯車４１と上腕５に対してはフリー
である。この出力軸４４は、上腕５の中空部を貫
通し、先端に設けた傘歯車４５が、肘部回動軸６
２に設けた傘歯車６１と噛合している。したがつ
て駆動部４の出力は、出力軸４４、傘歯車４５，
６１を介して肘部回動軸６２（第２図に示す肘の
ｂ点）を中心に前腕６を第２図Ｂ−B′方向に振
り動かす。

前腕６を第２図のように振り上げると、腕の自
重によつてB′方向に下げるモーメントが発生す
るが、力制御されたマニピユレータでは自重分は
バランスさせておくことが望ましい。そのため
に、駆動部４の出力軸４４に傘歯車４６が固定さ
れており、この傘歯車４６には、肘部回動軸６２
と平行に設けた軸７３に固定した傘歯車７１が噛
合している。軸７３は上腕６から側方に突出した
軸受枠５１に軸受５２を介して支持されており、
かつ軸７３の端部にはウエイト棒７２が設けてあ
つて、このウエイト棒７２にバランスウエイト７
が取付けられている。

上記傘歯車を介しての連動機構によりバランス
ウエイト７のウエイト棒７２の作動角は常に前腕
６と第２図示するように平行状態を保つて動くた
め、前腕６のバランスは常に保たれる。また、上
腕５の前後振りをするときの中心軸２６と、バラ
ンスウエイト７の軸７３の軸心は同一平面内にあ
り、かつ第１図の場合には同一線上にある。つま
り、このことは人間の肩部における動きと非常に
近い配置であることを示している。すなわち、人
間の腕は、肩部を中心に前後に動かし、または腕
をねじるときのいずれにあつてもその支点が１個
所であり、これが理想的なのである。ロボツト，
マニプレータにおいてはこのような複数の動きの
支点を１個所にするのはむずかしかつたのである
が、本実施例では最大限その条件に近づけてい
る。但し、第１図において駆動部３により上腕５
がねじれた場合（第３図Ｃ方向）には、軸４４の
中心線上で、かつ第３図に示すように軸７３と軸
２６の軸中心線は屈曲することになる。

また、第２図において、上腕５がＡ−A′方向
に振れた場合にも、A′方向にモーメントが発生
するが、これもバランスさせることが望ましい。
これは駆動部２，３，４が、肩軸心ａを中心とし
て上腕５の回動とは対称位置に回動するために上
腕側の長さ、自重を考慮し、駆動部２，３，４の
側の重量と取付高さを考慮することによりａ点の
回りにバランスウエイトを全く不要とできるか、
または必要とするとしてもごく僅かの調整用のみ
でよい。

以上の構成により、上腕５の前後振りと肘の旋
回（上腕のねじり）、及び肘の曲げを行なうこと
ができ、その作動においても腕の自重分のバラン
スがとれる機構となつている。さらに、上腕５と
前腕６のＡ−A′，Ｂ−B′，Ｄ−D′の３自由度の
駆動はそれぞれ独立していて、各々が単独に制
御、駆動、停止することができる。なお、指部６
３を駆動するのは、前腕部６に内蔵され駆動部に
よるなど本実施例では限定されない。

Ｇ 考案の効果 以上説明したことからわかるように、本考案に
よるマニピユレータ等の関節構造によれば以下の
効果がある。

(a) 「上腕の揺動」と「上腕のねじり」と「前腕
の屈曲」とを行うための３つの駆動部を肩部枠
に集中配置したので、分散配置した場合のよう
に上腕等の自重が重くならず、大きな駆動力を
要しない。しかも上腕の基端部に前腕の屈曲の
ための駆動部を取り付けるので、集中配置した
場合の欠点であるところの「上腕の揺動」「上
腕のねじり」「前腕の屈曲」の各駆動系の干渉
が生じない。

(b) 中心軸と同一軸心を有するバランスウエイト
軸にウエイト棒を介してバランスウエイトを設
けるとともに前腕の屈曲と連動してウエイト棒
が前腕と平行になるように構成しており、かつ
中心軸に対して「上腕の揺動」「上腕のねじり」
「前腕の屈曲」のための駆動部を肩部枠上であ
つて前腕とは反対側に取り付けたので、中心軸
に関してバランスウエイトと３つの駆動部とが
上腕と前腕とのバランサーとして働き、本来大
きな駆動力を要する「上腕の揺動」のための駆
動部の駆動力が小さくて済む。また、３つの駆
動部をバランスウエイトとして兼用することに
なるので、マニピユレータが軽量化する。更に
上腕のねじり動作によつて、バランスウエイト
による重量バランスが影響を受けることはな
い。

(c) 基台に対する肩部枠の揺動中心である中心軸
と上腕のねじり軸心とが人間の肩のように略直
交することになるので、前腕の先端に手先を形
成することで人間の作動形態と略同じになり操
作性のよいマニピユレータとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案によるマニピユレータを一部破
断して示す正面図、第２図は第１図のイ矢視図、
第３図は第１図のロ矢視図である。 １…基台、２，３，４…駆動部、５…上腕、６
…前腕、７…バランスウエイト、２５…肩部枠、
２６…中心軸、４４…出力軸、４６，７１…傘歯
車、６２…肘部回転軸、７２…ウエイト棒、７３
…バランスウエイト軸。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 基台に中心軸も介して揺動自在に肩部枠を設
   け、上腕の基端部をねじり回動自在に肩部枠に連
   結するとともに、上腕の先端部に前腕の基端部を
   屈曲自在に連結し、 基台に対して肩部枠及び上腕を揺動させるため
   の駆動部と肩部枠に対して上腕をねじり回動させ
   るための駆動部とを肩部枠における中心軸に対し
   て反前腕側に取り付け、上腕に対して前腕を屈曲
   させるための駆動部を中心軸に対して反前腕側に
   位置する上腕の基端部に取り付けるとともに当該
   駆動部の出力軸を上腕の内部に回転自在に配設
   し、 前記中心軸と同一の軸心を有するバランスウエ
   イト軸を回転自在に上腕に貫通させるとともにバ
   ランスウエイト軸の内端部を傘歯車を介して上腕
   内の前記出力軸に連動連結させ、基端部がバラン
   スウエイト軸の外端部に結合されて反前腕側へ伸
   びるウエイト棒の先端にバランスウエイトを結合
   したことを特徴とするマニピユレータ等の関節構
   造。